電影《流浪地球 2》中的太空電梯“女士們，先生，太空電梯即將達(dá)到失重間站，請做好準(zhǔn)備，從右梯門下梯?！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，有一天你將親耳見這樣的播報聲，你相信？01、太空電梯從何而來20 世紀(jì)初，被譽(yù)為“航天之父“的俄國科學(xué)家康坦丁?齊奧爾科夫斯基提過幾大構(gòu)想：用液體作為箭燃料；宇宙空間中反作力是移動的唯一方法；將節(jié)以上的火箭串聯(lián)起來，成一列多級火箭以提高火的速度。在一百多年后的天，這些設(shè)想，都已經(jīng)成了航天領(lǐng)域的重要應(yīng)用。斯坦丁?齊奧爾科夫斯基而，他在 1895 年提出的一個設(shè)想，卻至今仍實(shí)現(xiàn)。這個設(shè)想，其實(shí)很素：他提議在地面上建設(shè)座超高高高的鐵塔，一直到地球同步軌道為止，在塔內(nèi)架設(shè)電梯，于是我們可以搭著電梯進(jìn)入外太空初代太空電梯概念圖這，是太空電梯的雛形。這樣鐵塔結(jié)構(gòu)，是不是感覺似相識？實(shí)際上，這就是齊爾科夫斯基在參觀法國埃爾鐵塔時受到的啟發(fā)！這的構(gòu)想，也與我們對電梯認(rèn)知最為接近，但是…地同步軌道距離我們有 35786000 米，目前世界上最高的建筑，是位于拜的哈利法塔，高度卻只 828 米...? ? 這樣一看，似乎太空電梯是沒戲了？別急！此刻，就是上世紀(jì)中葉的宇宙學(xué)，快來想想怎么解決這個題！如果一時半會兒沒有路的話，先試著回答下面個問題：新年第一問假如我讓你把一只風(fēng)箏放到 250 米的高空，除了在地面上奔跑，不斷放長線繩將風(fēng)箏放飛到空中外，還怎么做？你可以坐直升機(jī)更高空，將風(fēng)箏扔出，慢放線，讓風(fēng)箏到達(dá) 250 米的半空。不要問我為什么要放風(fēng)箏，也不要問我箏線會不會斷，這都不是點(diǎn) (我才不承認(rèn)這個類比很不嚴(yán)謹(jǐn))！重點(diǎn)是，逆向思維！同樣得，我們想要造一座直達(dá)外太空的電梯最重要的就是需要提供繩軌道，那么，既然從地面上建造不現(xiàn)實(shí)，那我們…不能從太空中 "扔" 下繩索，就像扔風(fēng)箏一樣？就是說，我們可以先發(fā)射顆地球同步衛(wèi)星，然后從星上伸出繩索 "垂" 到地面上，在地面一端固定形成太空電梯的運(yùn)行軌道太空電梯理念圖? (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，使得太空梯顯得不那么鏡花水月，今的太空電梯計(jì)劃，都是于這個模型。02、大林組太空電梯計(jì)劃在眾多太空梯計(jì)劃中，尤其受人矚目，是大林組在 2012 年宣布的太空電梯計(jì)劃。2012 年 2 月，尤其擅長建高塔的日本著名建公司大林組，宣布要投資 100 億美元建設(shè)太空電梯，預(yù)計(jì)電梯時速 200 公里，單程需要 7 天，計(jì)劃 2025 年左右在赤道附近的海上開工，2050 年左右落成運(yùn)營。大林組官網(wǎng)概念圖然而，離計(jì)劃啟動已經(jīng)過去了十之久，前景似乎不容樂觀就連大林組公司內(nèi)部，一參與太空電梯研發(fā)的高級程師石川洋二都坦言：這項(xiàng)目越是嘗試，就越是困。首先，不考慮一切外部素，太空電梯主要由四部構(gòu)成：電梯的廂體、廂體下運(yùn)動所需的纜繩軌道、于在地球端固定纜繩的海基地，以及配重。太空電結(jié)構(gòu)前面三個似乎很容易解，但為什么還需要配重？在剛剛提到的太空電梯想中，我們要從同步衛(wèi)星 "扔" 下纜繩，一直 "垂" 到地球上，可隨著纜繩逐漸下放，受到的萬引力會大于離心力，于是繩會對同步衛(wèi)星產(chǎn)生向內(nèi)拉力，那豈不是纜繩放著著，就把原本穩(wěn)定的同步星給拽下來了？為了解決個問題，我們在向下放纜的同時，也必須向上”扔東西，產(chǎn)生一個向外的拉，以此抵消纜繩對衛(wèi)星向的拉力。向上”扔”的東必須足夠重，能夠把衛(wèi)星穩(wěn)住，我們把它稱為配重可是，新問題又來了！纜實(shí)際并不是靜止的狀態(tài)，是在隨著同步衛(wèi)星一起高轉(zhuǎn)動，所需的巨大向心力能會超過材料的抗拉極限導(dǎo)致纜繩自己把自己甩斷我們來深切體會一下，太電梯對材料抗拉能力的要，到底有多苛刻。在地心考系中，將纜繩簡化成圓狀，密度是 ρ，橫截面是 S，一端固定于地球同步衛(wèi)星，另一端固定于赤道上基地?？紤]在同步衛(wèi)星道附近的一小段纜繩，不慮各種額外的載重，它受的拉力可以這樣計(jì)算：如我們用鋼作為太空電梯的繩，將上式簡化變形，代鋼的密度值，可以估算得鋼需要承受的最大應(yīng)力至要達(dá)到 400 GPa。但實(shí)際上，鋼的抗拉強(qiáng)度有 400 MPa！也就是說，即便是用鋼來做纜，也會直接在強(qiáng)大的引力用下變形。至此，我們遇了異常棘手的問題：如何到密度小，但抗拉強(qiáng)度大材料？03、太空電梯的纜繩難題目前，最有可能滿上述要求的是碳納米管：碳原子組成的管狀結(jié)構(gòu)納材料，這是目前已知的理上力學(xué)強(qiáng)度最高和韌性最的材料。碳納米管結(jié)構(gòu)碳米管的密度大約是 1700 kg/㎡，代入上面公式計(jì)算，得到如果用碳納管做太空電梯的纜繩，碳米管的抗拉強(qiáng)度至少要達(dá) 90 GPa。目前，我們能夠在實(shí)驗(yàn)中合成的碳米管的抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到 200 GPa；甚至，對于具有理想結(jié)構(gòu)的單壁碳米管而言，其抗拉強(qiáng)度可達(dá)到 800 GPa。這樣看來，我們只要生產(chǎn)出萬公里長的碳納米管，把從同步衛(wèi)星上 "懸掛" 下來，固定到赤道附近的上基站，問題不就迎刃而了！然而，我們探索太空梯的道路，注定崎嶇不平1991 年，日本科學(xué)家飯島澄男發(fā)現(xiàn)并命名了碳米管，給陷入瓶頸的太空梯設(shè)想注入了最鮮活的血，許多研究團(tuán)隊(duì)都重新拾了太空電梯計(jì)劃?？墒牵?家很快就發(fā)現(xiàn)，由于制備藝的限制，實(shí)際能夠制備的碳納米管長度只有幾毫，且存在大量結(jié)構(gòu)缺陷。，似乎又走到了死胡同…正所謂，沉舟側(cè)畔千帆過病樹前頭萬木春。2013 年，清華大學(xué)魏飛教授團(tuán)隊(duì)，將生長每毫米長度碳米管的催化劑活性概率提到 99.5% 以上后，成功制備出了單根長度超半米，且具有完美結(jié)構(gòu)的納米管。目前，他們正在制長度在千米級以上的碳米管。我們的太空天梯，乎，迎來了一線曙光！04、太空電梯的實(shí)際窘境你許已經(jīng)意識到了，剛剛討的都是最簡單的物理模型一旦真的要考慮項(xiàng)目建設(shè)就需要解決很多的實(shí)際問。例如，鑒于生活中用到各種高壓電線，時間久了會磨損，我們很自然地會出這樣的疑問：用碳納米做的纜繩，耐久性如何？竟，如果纜繩很容易破損那這電梯即便建好了，也白搭。為了檢驗(yàn)碳納米管耐久性，日本大林組于 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(shí)驗(yàn)艙內(nèi)。日本“希望號”實(shí)艙樣品被放置在太空中 2 年后，又被重新帶回地球。研究人員分析后發(fā)現(xiàn)，納米管的表面，已經(jīng)被原狀態(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)極其薄，即便是這樣，2 年的時間也已經(jīng)破壞了碳納米。可以想象，直接暴露在低端對流層內(nèi)的纜繩，會臨著更加嚴(yán)峻的考驗(yàn)。除被原子狀態(tài)的氧破壞，還要面對各種可能的風(fēng)吹日雨淋，甚至可能碰上閃電颶風(fēng)等各種極端氣候….提高纜繩耐久性方面的研究顯然又是困難重重，但只路沒被堵死，我們就不會下探索的步伐。當(dāng)然，除耐久性問題以外，還有一堆難題，在等待著我們?nèi)?決…例如，如何保證電梯體有足夠的動力支持，可一直從地面升到太空站?如果升到一半的時候，太空梯的動力系統(tǒng)突然失靈，直就是高空求生驚悚片現(xiàn)，想想都不寒而栗。假如梯停在這瞬間...（圖源：流浪地球 2 預(yù)告片）再比如，如何讓太空電梯動躲避太空碎片和一些可撞上來的衛(wèi)星？一旦躲避及時，造成的后果，難以象。真可謂驗(yàn)證了那句話太空電梯，越是嘗試，越困難。05、我們?yōu)槭裁磮?zhí)著于太空電梯這個時候，很可能要問，既然建造太電梯這么困難，那為什么們還一直執(zhí)著于這看似不能的設(shè)想呢？因?yàn)椋覀?往星辰大海?？瓤瓤龋?這些，說點(diǎn)實(shí)際的：目前國際商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射中，每克載荷的運(yùn)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至少需要 10 萬美元。假設(shè)太空電梯可以建設(shè)成，不考慮初期建設(shè)成本，據(jù)日本大林組的預(yù)估，每克載荷的運(yùn)輸成本約為 200 美元！也就是說，小編只需要花費(fèi) 7 萬左右人民幣，就可以去太空旅了！建成太空電梯后，除讓太空觀光變得觸手可及，我們還能夠低成本地在球和太空間運(yùn)輸物資。這也許會成為人類太空探索上，最動人心魄的轉(zhuǎn)折點(diǎn)06、有生之年現(xiàn)在，請你仰望天空，想象一下。看寡淡的每一秒，都在親證歷史的誕生。有生之年，將看到一座宏大的天梯，破遙遠(yuǎn)的云層，以摧枯拉之勢，不斷得沖向地表，終橫貫天地，艷絕古今。源：流浪地球 2 預(yù)告片想到這兒，我真的熱淚盈。本文來自微信公眾號：科院物理所 （ID：cas-iop），作者：穆勒家保?