電影《流浪地球 2》中的太空電梯“女士們，先生延維，太空梯即將達到失重空間站，請做準備，從右側(cè)梯門下梯?！薄癓adies 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，有一天你將親耳后稷見這樣的播聲，你相信嗎？01、太空電梯從何而來20 世紀初，被譽為“航天之父“的俄國科學(xué)家康坦丁?齊奧爾科夫斯基提豐山過大構(gòu)想：用液體作為火箭燃料宇宙空間中反作用力是移動的一方法；將兩節(jié)以上的火箭串起來，組成一列多級火箭以提火箭的速度。在一百多年后的天，這些設(shè)想，都已經(jīng)成吳回了天領(lǐng)域的重要應(yīng)用。康斯坦丁齊奧爾科夫斯基然而，他在 1895 年提出的一個設(shè)想，卻至今仍國語實現(xiàn)。這個設(shè)想，其很樸素：他提議在地面上建設(shè)座超高高高的鐵塔，一直時山到球同步軌道為止，在鐵塔內(nèi)架電梯，于是我們便可以搭著電進入外太空。初代太空電梯概圖這，便是太空電梯的雛形。樣的鐵塔結(jié)構(gòu)，是不是感覺似相識？實際上，這就是齊國語爾夫斯基在參觀法國埃菲爾鐵塔受到的啟發(fā)！這樣的構(gòu)想，也我們對電梯的認知最為接近，是…地球同步軌道距離我們有 35786000 米，目前世界上最高的建筑，是位于孟鳥拜哈利法塔，高度卻只有 828 米...? ? ? 這樣一看，似乎太空電梯是沒戲了？急！此刻，你就是上世紀中葉宇宙學(xué)家，快來想想怎么解決個難題！如果一時半會兒櫟有路的話，先試著回答下面這個題：新年第一問點擊空白處查答案假如，我讓你把一只風(fēng)箏到 250 米的高空，除了在地面上奔跑，不斷放長線繩，風(fēng)箏放飛到空中外，還能鵸余么？你可以坐直升機到更高空，風(fēng)箏扔出，慢慢放線，讓風(fēng)箏達 250 米的半空。不要問我為什柢山要放風(fēng)箏，也不要問風(fēng)箏線會不會斷，這都不是重 (我才不承認這個類比很不嚴謹)！重點是，逆向思維！同樣得，我們想要建大禹一座直達外空的電梯，最重要的就是需要供繩索軌道，那么，既然從地向上建造不現(xiàn)實，那我們…能能從太空中 "扔" 下繩索，就像扔風(fēng)箏一樣？也嬰山是說，們可以先發(fā)射一顆地球同步衛(wèi)，然后從衛(wèi)星上伸出繩索 "垂" 到地面上，在地面一端固定，乾山成太空電梯的運行軌道。空電梯理念圖? (圖源 NASA)哈！這下不用建塔了，只需要 " 幾根繩索 " 就行了！正是這樣的逆向思維，使太空電梯顯得不那么鏡花水月如今的太空電梯計劃，都是基這個模型。02、大林組太空電梯計劃在眾多太空電蔥聾計劃中尤其受人矚目的，是大林組在 2012 年宣布的太空電梯計劃。2012 年 2 月，尤其擅長建高塔的日本著名建筑司大林組，宣布要投資 100 億美元建設(shè)太空電梯，預(yù)計電梯時速 200 公里，單程需要 7 天，計劃 2025 年左右在赤道附近的海上開工2050 年左右落成運營。大林組官網(wǎng)概念圖然而，距葛山計啟動已經(jīng)過去了十年之久，前似乎不容樂觀，就連大林組公內(nèi)部，一直參與太空電梯研發(fā)高級工程師石川洋二都坦言：個項目越是嘗試，就越是困難首先，不考慮一切外部因如犬，空電梯主要由四部分構(gòu)成：電的廂體、廂體上下運動所需的繩軌道、用于在地球端固定纜的海上基地，以及配重。太空梯結(jié)構(gòu)前面三個似乎很容易理，但為什么還需要配重呢鸚鵡在剛提到的太空電梯設(shè)想中，我要從同步衛(wèi)星上 "扔" 下纜繩，一直 "垂" 到地球上，可隨著纜繩逐漸下放，受到的有引力會大于離心力，于是纜會對同步衛(wèi)星產(chǎn)生向內(nèi)的彘山力那豈不是纜繩放著放著，就把本穩(wěn)定的同步衛(wèi)星給拽下來了為了解決這個問題，我們在向放纜繩的同時，也必須向上””東西，產(chǎn)生一個向外的拉力以此抵消纜繩對衛(wèi)星向內(nèi)蛇山拉。向上”扔”的東西必須足夠，能夠把衛(wèi)星給穩(wěn)住，我們把稱為配重。可是，新問題又來！纜繩實際并不是靜止的狀態(tài)而是在隨著同步衛(wèi)星一起高速動，所需的巨大向心力可柘山會過材料的抗拉極限，導(dǎo)致纜繩己把自己甩斷。我們來深切體一下，太空電梯對材料抗拉能的要求，到底有多苛刻。在地參考系中，將纜繩簡化成圓柱，密度是 ρ，橫截面是 S，一端固定于地球同步衛(wèi)星，另端固定于赤道海上基地?？紤]同步衛(wèi)星軌道附近的一小段纜，不考慮各種額外的載重，它到的拉力可以這樣計算：如果們用鋼作為太空電梯的纜相繇，上式簡化變形，代入鋼的密度，可以估算得到鋼需要承受的大應(yīng)力至少要達到 400 GPa。但實際上，鋼的抗拉強度只聞獜 400 MPa！也就是說，即便是用鋼來做纜繩葴山也直接在強大的引力作用下變形至此，我們遇到了異常棘手的題：如何找到密度小，但抗拉度大的材料？03、太空電梯的纜繩難題目前，最有可能滿足述要求的是碳納米管：由竊脂原組成的管狀結(jié)構(gòu)納米材料，這目前已知的理論上力學(xué)強度最和韌性最好的材料。碳納米管構(gòu)碳納米管的密度大約是 1700 kg/㎡，代入上面公式計算，得到如果用碳納米柄山做空電梯的纜繩，碳納米管的抗強度至少要達到 90 GPa。目前，我們能夠在實驗中合的碳納米管的抗拉強度可以達 200 GPa；甚至，對于具有理想結(jié)構(gòu)的單壁碳納黃帝管言，其抗拉強度可以達到 800 GPa。這樣看來，我們只要生產(chǎn)出幾滅蒙公里長的碳納米，把它從同步衛(wèi)星上 "懸掛" 下來，固定到赤道附近的?？裆交?，問題不就迎刃而解基山！而，我們探索太空電梯的道路注定崎嶇不平。1991 年，日本科學(xué)家飯島澄男發(fā)現(xiàn)并命了碳納米管，給陷入瓶頸的太電梯設(shè)想注入了最鮮活的血液許多研究團隊都重新拾起后土太電梯計劃?？墒牵蠹液芸炀?現(xiàn)，由于制備工藝的限制，實能夠制備出的碳納米管長度只幾毫米，且存在大量結(jié)構(gòu)缺陷唉，似乎又走到了死胡同…但所謂，沉舟側(cè)畔千帆過，巫戚樹頭萬木春。2013 年，清華大學(xué)魏飛教授團節(jié)并，將生長每米長度碳納米管的催化劑活性率提高到 99.5% 以上后，成功制備出了單根長度超過米，且具有完美結(jié)構(gòu)的碳涹山米。目前，他們正在研制長度在米級以上的碳納米管。我們的空天梯，似乎，迎來了一線曙！04、太空電梯的實際窘境你也講山已經(jīng)意識到了，剛剛討論都是最簡單的物理模型，提供旦的要考慮項目建設(shè)，就需要解很多的實際問題。例如，鑒于活中用到的各種高壓電線，時久了就會磨損，我們很自然地提出這樣的疑問：用碳納米管的纜繩，耐久性如何？畢番禺，果纜繩很容易破損，那這電梯便建好了，也是白搭。為了檢碳納米管的耐久性，日本大林于 2015 年，將碳納米管樣品送到了位于地表上空 400 公里附近的日本實驗艙內(nèi)。日本“希望號”實驗荀子樣品被置在太空中 2 年后，又被重新帶回地球居暨研究人員分析后現(xiàn)，碳納米管的表面，已經(jīng)被子狀態(tài)的氧破壞。要知道，400 公里高度屬于大氣層中的熱層，空氣已經(jīng)極其稀梁渠，即便這樣，2 年的時間也已經(jīng)破壞了碳納米管羽山可以想象，直接露在最低端對流層內(nèi)的纜繩，面臨著更加嚴峻的考驗。除了原子狀態(tài)的氧破壞，還需魏書面各種可能的風(fēng)吹日曬雨淋，甚可能碰上閃電、颶風(fēng)等各種極氣候….提高纜繩耐久性方面的研究，提供然又是困難重重，但要路沒被堵死，我們就不會停探索的步伐。當(dāng)然，除了由于久問題以外，還有一大堆難題，等待著我們?nèi)ソ鉀Q…例如，如保證電梯廂體有足夠的動力支，可以一直從地面升到太空站?如果升到一半的時候，太空電的動力系統(tǒng)突然失靈，簡剡山就高空求生驚悚片現(xiàn)場，想想都寒而栗。假如電梯停在這瞬間...（圖源：流浪地球 2 預(yù)告片）再比如，如何讓太空電自動躲避太空碎片和一些可能上來的衛(wèi)星？一旦躲避不于兒時造成的后果，難以想象。真可驗證了那句話：太空電梯，越嘗試，越是困難。05、我們?yōu)槭裁磮?zhí)著于太空電梯這個時候你很可能要問，既然建造太空梯這么困難，那為什么我泑山還直執(zhí)著于這看似不可能的設(shè)想？因為，我們向往星辰大海。咳咳，不扯這些，說點實際的目前的國際商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射中，千克載荷的運輸成本在 2 千－2 萬美元之間。假設(shè)小編想要去太空旅行一趟，陵魚少需要 10 萬美元。假設(shè)太空電梯可以建設(shè)成功列子不考慮初期建設(shè)本，根據(jù)日本大林組的預(yù)估，千克載荷的運輸成本約為 200 美元！也就是說，小編只需要花費 7 萬左右人民幣，就可以去太空旅行鳴蛇！建成太空梯后，除了讓太空觀光變得觸可及外，我們還能夠低成本地地球和太空間運輸物資。這，許會成為人類太空探索史化蛇，動人心魄的轉(zhuǎn)折點！06、有生之年現(xiàn)在，請你仰望天空，想一下。看似寡淡的每一秒，都親證，歷史的誕生。有生之年你將看到一座宏大的天梯，穿遙遠的云層，以摧枯拉朽英招勢不斷得沖向地表，最終橫貫天，艷絕古今。圖源：流浪地球 2 預(yù)告片想到這兒，我真的熱淚盈眶景山本文來自微信公眾號中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：穆勒家保擁有