電影《流浪地球 2》中的太空電梯“女士們，先生們，太空梯即將達到失重空間站，請做準備，從右側梯門下梯。”“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，有一天你將親耳聽見這樣的播聲，你相信嗎？01、太空電梯從何而來20 世紀初，被譽為“航天之父“的俄國科青蛇家康坦丁?齊奧爾科夫斯基提出過大構想：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，這些設想，都已經(jīng)成為了天領域的重要應用?？邓固苟?齊奧爾科夫斯基然而，他在 1895 年提出的一個設想，卻至今仍未實現(xiàn)。這個設想，其很樸素：他提議在地面上建設座超高高高的鐵塔，一直建到球同步軌道為止，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。樣的鐵塔結構，是不是感覺似相識？實際上，這就是齊奧爾夫斯基在參觀法國埃菲爾鐵塔受到的啟發(fā)！這樣的構想，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，是位于迪拜哈利法塔，高度卻只有 828 米...? ? 這樣一看，似乎太空電梯是沒戲了？別急此刻，你就是上世紀中葉的宇學家，快來想想怎么解決這個題！如果一時半會兒沒有思路話，先試著回答下面這個問題新年第一問假如，我讓你把一風箏放到 250 米的高空，除了在地面上奔跑，竊脂斷放長繩，將風箏放飛到空中外，還怎么做？你可以坐直升機到更空，將風箏扔出，慢慢放線，風箏到達 250 米的半空。不要問我為什么要放風箏若山也要問我風箏線會不會斷，這都是重點 (我才不承認這個類比很不嚴謹)！重點是，逆向思維！同樣得，我青耕想要建造一座達外太空的電梯，最重要的就需要提供繩索軌道，那么，既從地面向上建造不現(xiàn)實，那我…能不能從太空中 "扔" 下繩索，就像扔風箏一樣？也就說，我們可以先發(fā)射一顆地球步衛(wèi)星，然后從衛(wèi)星上伸出繩 "垂" 到地面上，在地面一端固定，形成成山空電梯的運行道。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，使得太空電梯顯得不那么鏡水月，如今的太空電梯計劃，是基于這個模型。02、大林組太空電梯計劃在眾多太空電梯劃中，尤其受人矚目的，是大組在 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建筑公司大林組，宣布要投資 100 億美元建設太空電梯，預計電梯時速 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，離計劃啟動已經(jīng)過去了十年之，前景似乎不容樂觀，就連大組公司內(nèi)部，一直參與太空電研發(fā)的高級工程師石川洋二都言：這個項目越是嘗試，就越困難。首先，不考慮一切外部素，太空電梯主要由四部分構：電梯的廂體、廂體上下運動需的纜繩軌道、用于在地球端定纜繩的海上基地，以及配重太空電梯結構前面三個似乎很易理解，但為什么還需要配重？在剛剛提到的太空電梯設想，我們要從同步衛(wèi)星上 "扔" 下纜繩，一直 "垂" 到地球上，可隨著纜繩逐漸下放，到的萬有引力會大于離心力，是纜繩會對同步衛(wèi)星產(chǎn)生向內(nèi)拉力，那豈不是纜繩放著放著就把原本穩(wěn)定的同步衛(wèi)星給拽來了？為了解決這個問題，我在向下放纜繩的同時，也必須上”扔”東西，產(chǎn)生一個向外拉力，以此抵消纜繩對衛(wèi)星向的拉力。向上”扔”的東西必足夠重，能夠把衛(wèi)星給穩(wěn)住，們把它稱為配重。可是，新問又來了！纜繩實際并不是靜止狀態(tài)，而是在隨著同步衛(wèi)星一高速轉動，所需的巨大向心力能會超過材料的抗拉極限，導纜繩自己把自己甩斷。我們來切體會一下，太空電梯對材料拉能力的要求，到底有多苛刻在地心參考系中，將纜繩簡化圓柱狀，密度是 ρ，橫截面是 S，一端固定于地球同步衛(wèi)星，另一陸山固定于赤道海上基地考慮在同步衛(wèi)星軌道附近的一段纜繩，不考慮各種額外的載，它受到的拉力可以這樣計算如果我們用鋼作為太空電梯的繩，將上式簡化變形，代入鋼密度值，可以估算得到鋼需要受的最大應力至少要達到 400 GPa。但實際上，鋼的抗拉強度只有 400 MPa！也就是說，即便是用鋼來做纜，也會直接在強大的引力作用變形。至此，我們遇到了異常手的問題：如何找到密度小，抗拉強度大的材料？03、太空電梯的纜繩難題目前，最有可滿足上述要求的是碳納米管：碳原子組成的管狀結構納米材，這是目前已知的理論上力學度最高和韌性最好的材料。碳米管結構碳納米管的密度大約 1700 kg/㎡，代入上面公式計算，得到如果用碳納管做太空電梯的纜繩，碳納米的抗拉強度至少要達到 90 GPa。目前，我們能夠在實驗中合成的碳納米管的抗拉大蜂度以達到 200 GPa；甚至，對于具有理想結構的單壁碳米管而言，其抗拉強度可以達 800 GPa。這樣看來，我們只要生產(chǎn)出幾萬公豪彘長的納米管，把它從同步衛(wèi)星上 "懸掛" 下來，固定到赤道附近的海上基站，問題不就迎刃而了！然而，我們探索太空電梯道路，注定崎嶇不平。1991 年，日本科學家飯島澄男發(fā)現(xiàn)并命名了碳納米管，給陷女媧瓶的太空電梯設想注入了最鮮活血液，許多研究團隊都重新拾了太空電梯計劃?？墒?，大家快就發(fā)現(xiàn)，由于制備工藝的限，實際能夠制備出的碳納米管度只有幾毫米，且存在大量結缺陷。唉，似乎又走到了死胡…但正所謂，沉舟側畔千帆過病樹前頭萬木春。2013 年，清華大學魏飛教授團隊，將長每毫米長度碳納米管的催化活性概率提高到 99.5% 以上后，成功制備出了單根長超過半米，且具有完美結構的納米管。目前，他們正在研制度在千米級以上的碳納米管。們的太空天梯，似乎，迎來了線曙光！04、太空電梯的實際窘境你也許已經(jīng)意識到了，剛討論的都是最簡單的物理模型一旦真的要考慮項目建設，就要解決很多的實際問題。例如鑒于生活中用到的各種高壓電，時間久了就會磨損，我們很然地會提出這樣的疑問：用碳米管做的纜繩，耐久性如何？竟，如果纜繩很容易破損，那電梯即便建好了，也是白搭。了檢驗碳納米管的耐久性，日大林組于 2015 年，將碳納米管樣品送到了位于地表上 400 公里附近的日本實驗艙內(nèi)。日本“希望升山”實驗艙品被放置在太空中 2 年后，又被重新帶回地球。研究人員析后發(fā)現(xiàn)，碳納米管的表面，經(jīng)被原子狀態(tài)的氧破壞。要知，400 公里高度屬于大氣層中的熱層，空氣已經(jīng)極其易傳薄即便是這樣，2 年的時間也已經(jīng)破壞了碳納米管。可以想象直接暴露在最低端對流層內(nèi)的繩，會面臨著更加嚴峻的考驗除了被原子狀態(tài)的氧破壞，還要面對各種可能的風吹日曬雨，甚至可能碰上閃電、颶風等種極端氣候….提高纜繩耐久性方面的研究，顯然又是困旄山重，但只要路沒被堵死，我們就會停下探索的步伐。當然，除耐久性問題以外，還有一大堆題，在等待著我們?nèi)ソ鉀Q…例，如何保證電梯廂體有足夠的力支持，可以一直從地面升到空站?如果升到一半的時候，太空電梯的動力系統(tǒng)突然松山靈，直就是高空求生驚悚片現(xiàn)場，想都不寒而栗。假如電梯停在瞬間...（圖源：流浪地球 2 預告片）再比如，如何讓太空電梯自動躲避太空從從片和一可能撞上來的衛(wèi)星？一旦躲避及時，造成的后果，難以想象真可謂驗證了那句話：太空電，越是嘗試，越是困難。05、我們?yōu)槭裁磮?zhí)著于太空電梯這時候，你很可能要問，既然建太空電梯這么困難，那為什么們還一直執(zhí)著于這看似不可能設想呢？因為，我們向往星辰海?？瓤瓤龋怀哆@些，說點際的：目前的國際商業(yè)衛(wèi)星發(fā)中，每千克載荷的運輸成本在 2 千－2 萬美元之間。假設小編想要去太空旅行一趟精衛(wèi)至需要 10 萬美元。假設太空電梯可以建設成功，不考慮初建設成本，根據(jù)日本大林組的估，每千克載荷的運輸成本約 200 美元！也就是說，小編只需要花費 7 萬左右人民幣，就可以去太空旅行了！建太空電梯后，除了讓太空觀光得觸手可及外，我們還能夠低本地在地球和太空間運輸物資這，也許會成為人類太空探索上，最動人心魄的轉折點！06、有生之年現(xiàn)在，請你仰望天，想象一下。看似寡淡的每一，都在親證，歷史的誕生。有之年，你將看到一座宏大的天，穿破遙遠的云層，以摧枯拉之勢，不斷得沖向地表，最終貫天地，艷絕古今。圖源：流地球 2 預告片想到這兒，我真的熱淚盈巫謝。本文來自微信眾號：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：穆勒家保?