電影《流浪球 2》中的太空電梯“士們，先生，太空電梯將達(dá)到失重間站，請做準(zhǔn)備，從右梯門下梯。“Ladies and gentlmen, we are approaching space station. Please prepare to get off the elevator. The door will be open at the right side.”如果我說，有天你將親耳見這樣的播聲，你相信？01、太空電梯從何而20 世紀(jì)初，被譽(yù)為“天之父“的國科學(xué)家康坦丁?齊奧科夫斯基提過幾大構(gòu)想用液體作為箭燃料；宇空間中反作力是移動的一方法；將節(jié)以上的火串聯(lián)起來，成一列多級箭以提高火的速度。在百多年后的天，這些設(shè)，都已經(jīng)成了航天領(lǐng)域重要應(yīng)用。斯坦丁?齊爾科夫斯基而，他在 1895 年提出的一個設(shè)，卻至今仍實現(xiàn)。這個想，其實很素：他提議地面上建設(shè)座超高高高鐵塔，一直到地球同步道為止，在塔內(nèi)架設(shè)電，于是我們可以搭著電進(jìn)入外太空初代太空電概念圖這，是太空電梯雛形。這樣鐵塔結(jié)構(gòu)，不是感覺似相識？實際，這就是齊爾科夫斯基參觀法國埃爾鐵塔時受的啟發(fā)！這的構(gòu)想，也我們對電梯認(rèn)知最為接，但是…地同步軌道距我們有 35786000 米，目前世界上最高的筑，是位于拜的哈利法，高度卻只 828 米...? ? 這樣一看，似乎太空電是沒戲了？急！此刻，就是上世紀(jì)葉的宇宙學(xué)，快來想想么解決這個題！如果一半會兒沒有路的話，先著回答下面個問題：新第一問假如我讓你把一風(fēng)箏放到 250 米的高空，除了在面上奔跑，斷放長線繩將風(fēng)箏放飛空中外，還怎么做？你以坐直升機(jī)更高空，將箏扔出，慢放線，讓風(fēng)到達(dá) 250 米的半空。不要問我為么要放風(fēng)箏也不要問我箏線會不會，這都不是點 (我才不承認(rèn)這個類很不嚴(yán)謹(jǐn))！重點是，逆思維！同樣，我們想要造一座直達(dá)太空的電梯最重要的就需要提供繩軌道，那么既然從地面上建造不現(xiàn)，那我們…不能從太空 "扔" 下繩索，就像風(fēng)箏一樣？就是說，我可以先發(fā)射顆地球同步星，然后從星上伸出繩 "垂" 到地面上，在面一端固定形成太空電的運(yùn)行軌道太空電梯理圖? (圖源 NASA)哈！這下不建塔了，只要 " 幾根繩索 " 就行了！正是樣的逆向思，使得太空梯顯得不那鏡花水月，今的太空電計劃，都是于這個模型02、大林組太空電梯計在眾多太空梯計劃中，其受人矚目，是大林組 2012 年宣布的太電梯計劃。2012 年 2 月，尤其擅長建高塔日本著名建公司大林組宣布要投資 100 億美元建設(shè)太空梯，預(yù)計電時速 200 公里，單程需要 7 天，計劃 2025 年左右在赤道附近海上開工，2050 年左右落成運(yùn)營大林組官網(wǎng)念圖然而，離計劃啟動經(jīng)過去了十之久，前景乎不容樂觀就連大林組司內(nèi)部，一參與太空電研發(fā)的高級程師石川洋都坦言：這項目越是嘗，就越是困。首先，不慮一切外部素，太空電主要由四部構(gòu)成：電梯廂體、廂體下運(yùn)動所需纜繩軌道、于在地球端定纜繩的海基地，以及重。太空電結(jié)構(gòu)前面三似乎很容易解，但為什還需要配重？在剛剛提的太空電梯想中，我們從同步衛(wèi)星 "扔" 下纜繩，一直 "垂" 到地球上，可隨纜繩逐漸下，受到的萬引力會大于心力，于是繩會對同步星產(chǎn)生向內(nèi)拉力，那豈是纜繩放著著，就把原穩(wěn)定的同步星給拽下來？為了解決個問題，我在向下放纜的同時，也須向上”扔東西，產(chǎn)生個向外的拉，以此抵消繩對衛(wèi)星向的拉力。向”扔”的東必須足夠重能夠把衛(wèi)星穩(wěn)住，我們它稱為配重可是，新問又來了！纜實際并不是止的狀態(tài)，是在隨著同衛(wèi)星一起高轉(zhuǎn)動，所需巨大向心力能會超過材的抗拉極限導(dǎo)致纜繩自把自己甩斷我們來深切會一下，太電梯對材料拉能力的要，到底有多刻。在地心考系中，將繩簡化成圓狀，密度是 ρ，橫截面 S，一端固定于地球同衛(wèi)星，另一固定于赤道上基地?？?在同步衛(wèi)星道附近的一段纜繩，不慮各種額外載重，它受的拉力可以樣計算：如我們用鋼作太空電梯的繩，將上式化變形，代鋼的密度值可以估算得鋼需要承受最大應(yīng)力至要達(dá)到 400 GPa。但實際上，的抗拉強(qiáng)度有 400 MPa！也就是說，即便用鋼來做纜，也會直接強(qiáng)大的引力用下變形。此，我們遇了異常棘手問題：如何到密度小，抗拉強(qiáng)度大材料？03、太空電梯的繩難題目前最有可能滿上述要求的碳納米管：碳原子組成管狀結(jié)構(gòu)納材料，這是前已知的理上力學(xué)強(qiáng)度高和韌性最的材料。碳米管結(jié)構(gòu)碳米管的密度約是 1700 kg/㎡，代入上面式計算，得如果用碳納管做太空電的纜繩，碳米管的抗拉度至少要達(dá) 90 GPa。目前，我們能夠在實中合成的碳米管的抗拉度可以達(dá)到 200 GPa；甚至，對于具有理想構(gòu)的單壁碳米管而言，抗拉強(qiáng)度可達(dá)到 800 GPa。這樣看來，我只要生產(chǎn)出萬公里長的納米管，把從同步衛(wèi)星 "懸掛" 下來，固定赤道附近的上基站，問不就迎刃而了！然而，們探索太空梯的道路，定崎嶇不平1991 年，日本科學(xué)飯島澄男發(fā)并命名了碳米管，給陷瓶頸的太空梯設(shè)想注入最鮮活的血，許多研究隊都重新拾了太空電梯劃?？墒牵?家很快就發(fā)，由于制備藝的限制，際能夠制備的碳納米管度只有幾毫，且存在大結(jié)構(gòu)缺陷。，似乎又走了死胡同…正所謂，沉側(cè)畔千帆過病樹前頭萬春。2013 年，清華大學(xué)魏飛教授隊，將生長毫米長度碳米管的催化活性概率提到 99.5% 以上后，成功制備出單根長度超半米，且具完美結(jié)構(gòu)的納米管。目，他們正在制長度在千級以上的碳米管。我們太空天梯，乎，迎來了線曙光！04、太空電梯實際窘境你許已經(jīng)意識了，剛剛討的都是最簡的物理模型一旦真的要慮項目建設(shè)就需要解決多的實際問。例如，鑒生活中用到各種高壓電，時間久了會磨損，我很自然地會出這樣的疑：用碳納米做的纜繩，久性如何？竟，如果纜很容易破損那這電梯即建好了，也白搭。為了驗碳納米管耐久性，日大林組于 2015 年，將碳納米管品送到了位地表上空 400 公里附近的日本實艙內(nèi)。日本希望號”實艙樣品被放在太空中 2 年后，又被重新帶回地。研究人員析后發(fā)現(xiàn)，納米管的表，已經(jīng)被原狀態(tài)的氧破。要知道，400 公里高度屬于大氣中的熱層，氣已經(jīng)極其薄，即便是樣，2 年的時間也已經(jīng)壞了碳納米?？梢韵胂?直接暴露在低端對流層的纜繩，會臨著更加嚴(yán)的考驗。除被原子狀態(tài)氧破壞，還要面對各種能的風(fēng)吹日雨淋，甚至能碰上閃電颶風(fēng)等各種端氣候….提高纜繩耐久方面的研究顯然又是困重重，但只路沒被堵死我們就不會下探索的步。當(dāng)然，除耐久性問題外，還有一堆難題，在待著我們?nèi)?決…例如，何保證電梯體有足夠的力支持，可一直從地面到太空站?如果升到一半時候，太空梯的動力系突然失靈，直就是高空生驚悚片現(xiàn)，想想都不而栗。假如梯停在這瞬...（圖源：流浪地球 2 預(yù)告片）再比如，如讓太空電梯動躲避太空片和一些可撞上來的衛(wèi)？一旦躲避及時，造成后果，難以象。真可謂證了那句話太空電梯，是嘗試，越困難。05、我們?yōu)槭裁?著于太空電這個時候，很可能要問既然建造太電梯這么困，那為什么們還一直執(zhí)于這看似不能的設(shè)想呢因為，我們往星辰大海咳咳咳，不這些，說點際的：目前國際商業(yè)衛(wèi)發(fā)射中，每克載荷的運(yùn)成本在 2 千－2 萬美元之間。假小編想要去空旅行一趟至少需要 10 萬美元。假設(shè)太空電可以建設(shè)成，不考慮初建設(shè)成本，據(jù)日本大林的預(yù)估，每克載荷的運(yùn)成本約為 200 美元！也就是說，編只需要花 7 萬左右人民幣，就以去太空旅了！建成太電梯后，除讓太空觀光得觸手可及，我們還能低成本地在球和太空間輸物資。這也許會成為類太空探索上，最動人魄的轉(zhuǎn)折點06、有生之年現(xiàn)在，請仰望天空，象一下?？?寡淡的每一，都在親證歷史的誕生有生之年，將看到一座大的天梯，破遙遠(yuǎn)的云，以摧枯拉之勢，不斷沖向地表，終橫貫天地艷絕古今。源：流浪地 2 預(yù)告片想到這兒，真的熱淚盈。本文來自信公眾號：科院物理所 （ID：cas-iop），作者：穆家保?