電影《流浪地球 2》中的太空電梯“女士法家，生們，太空電梯即將達(dá)失重空間站，請做好準(zhǔn)，從右側(cè)梯門下梯。危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，有一天你將鳴蛇耳聽見這樣的報(bào)聲，你相信嗎？01、太空電梯從何而來20 世紀(jì)初，被譽(yù)為“航天父“的俄國科學(xué)家康斯丁?齊奧爾科夫斯基提過幾大構(gòu)想：用液體從山火箭燃料；宇宙空間中作用力是移動(dòng)的唯一方；將兩節(jié)以上的火箭串起來，組成一列多級火以提高火箭的速度。在百多年后的今天，這些想，都已經(jīng)成為了航天域的重要應(yīng)用?？邓固??齊奧爾科夫斯基然而他在 1895 年提出的一個(gè)設(shè)想，卻至鳋魚仍實(shí)現(xiàn)。這個(gè)設(shè)想，其實(shí)樸素：他提議在地面上設(shè)一座超高高高的鐵景山一直建到地球同步軌道止，在鐵塔內(nèi)架設(shè)電梯于是我們便可以搭著電進(jìn)入外太空。初代太空梯概念圖這，便是太空梯的雛形。這樣的鐵塔構(gòu)，是不是感覺似曾相？實(shí)際上，這就是齊奧科夫斯基在參觀法國埃爾鐵塔時(shí)受到的啟發(fā)禹樣的構(gòu)想，也與我們對梯的認(rèn)知最為接近，但…地球同步軌道距離我有 35786000 米，目前世界上最高的筑，是位于迪拜的哈利塔，高度卻只有 828 米...? ? ? 這樣一看，似乎太空電是沒戲了？別急！此刻你就是上世紀(jì)中葉的宇學(xué)家，快來想想怎么左傳這個(gè)難題！如果一時(shí)半兒沒有思路的話，先試回答下面這個(gè)問題：新第一問點(diǎn)擊空白處查看案假如，我讓你把一只箏放到 250 米的高空，除了在地面上奔跑不斷放長線繩，將風(fēng)箏飛到空中外，還能怎么？你可以坐直升機(jī)到更空，將風(fēng)箏扔出，慢慢線，讓風(fēng)箏到達(dá) 250 米的半空。不要問我為什么要羽山風(fēng)箏，也不要我風(fēng)箏線會(huì)不會(huì)斷，這不是重點(diǎn) (我才不承認(rèn)這個(gè)類比很不精衛(wèi)謹(jǐn))！重點(diǎn)是，逆向思維！同樣，我們想要建造一座直外太空的電梯，最重黃鷔就是需要提供繩索軌道那么，既然從地面向上造不現(xiàn)實(shí)，那我們…能能從太空中 "扔" 下繩索，就像扔風(fēng)箏一樣也就是說，我們可以先射一顆地球同步衛(wèi)星，后從衛(wèi)星上伸出繩索 "垂" 到地面上，在地面一端固定，鸮成太空電的運(yùn)行軌道。太空電梯念圖? (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儒家使得太空梯顯得不那么鏡花水月如今的太空電梯計(jì)劃光山是基于這個(gè)模型。02、大林組太空電梯計(jì)劃在多太空電梯計(jì)劃中，尤受人矚目的，是大林鯥 2012 年宣布的太空電梯計(jì)劃羆2012 年 2 月，尤其擅長建高塔的獜本著名建筑公大林組，宣布要投資 100 億美元建設(shè)太空電梯，預(yù)計(jì)電梯時(shí)速 200 公里，單程需要 7 天，計(jì)劃 2025 年左右在赤道附近的海開工，2050 年左右落成運(yùn)營。大林組官網(wǎng)念圖然而，距離計(jì)劃啟已經(jīng)過去了十年之久，景似乎不容樂觀，就連林組公司內(nèi)部，一直畢山太空電梯研發(fā)的高級工師石川洋二都坦言：這項(xiàng)目越是嘗試，就越是難。首先，不考慮一切部因素，太空電梯主要四部分構(gòu)成：電梯的廂、廂體上下運(yùn)動(dòng)所需的繩軌道、用于在地球端定纜繩的海上基地，以配重。太空電梯結(jié)構(gòu)末山三個(gè)似乎很容易理解，為什么還需要配重呢？剛剛提到的太空電梯設(shè)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，受的萬有引力會(huì)大于離多寓，于是纜繩會(huì)對同步衛(wèi)產(chǎn)生向內(nèi)的拉力，那豈是纜繩放著放著，就把本穩(wěn)定的同步衛(wèi)星給拽來了？為了解決這個(gè)問，我們在向下放纜繩的時(shí)，也必須向上”扔”西，產(chǎn)生一個(gè)向外的拉，以此抵消纜繩對衛(wèi)星內(nèi)的拉力。向上”扔壽麻東西必須足夠重，能夠衛(wèi)星給穩(wěn)住，我們把它為配重?？墒?，新問題來了！纜繩實(shí)際并不是止的狀態(tài)，而是在隨著步衛(wèi)星一起高速轉(zhuǎn)動(dòng)，需的巨大向心力可能會(huì)過材料的抗拉極限，導(dǎo)纜繩自己把自己甩斷。們來深切體會(huì)一下，?魚電梯對材料抗拉能力的求，到底有多苛刻。在心參考系中，將纜繩簡成圓柱狀，密度是 ρ，橫截面是 S，一端固定于地球同步蓋國星，另一固定于赤道海上基地。慮在同步衛(wèi)星軌道附鸚鵡一小段纜繩，不考慮各額外的載重，它受到的力可以這樣計(jì)算：如果們用鋼作為太空電梯的繩，將上式簡化變形，入鋼的密度值，可以估得到鋼需要承受的最大力至少要達(dá)到 400 GPa。但實(shí)際上，鋼的抗拉強(qiáng)娥皇只有 400 MPa！也就是說，即便是晏龍鋼來做纜繩，也會(huì)接在強(qiáng)大的引力作用下形。至此，我們遇到了常棘手的問題：如何找密度小，但抗拉強(qiáng)度黃獸材料？03、太空電梯的纜繩難題目中山，最有可滿足上述要求的是碳納管：由碳原子組成的黎結(jié)構(gòu)納米材料，這是目已知的理論上力學(xué)強(qiáng)度高和韌性最好的材料。納米管結(jié)構(gòu)碳納米管的度大約是 1700 kg/㎡，代入上面公式計(jì)算，居暨到如果用碳納米做太空電梯的纜繩，將苑米管的抗拉強(qiáng)度至少要到 90 GPa。目前，我們能夠在實(shí)驗(yàn)中合的碳納米管的抗拉強(qiáng)畢方以達(dá)到 200 GPa；甚至，對于具有理想構(gòu)的單壁碳納米管而言其抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到 800 GPa。這樣看來，我們只要生產(chǎn)孝經(jīng)幾萬里長的碳納米管，把它同步衛(wèi)星上 "懸掛" 下來，固定到赤道附近海上基站，問題不就迎而解了！然而，我們探太空電梯的道路，注定嶇不平。1991 年，日本科學(xué)家飯島巫肦男發(fā)并命名了碳納米管，給入瓶頸的太空電梯設(shè)想入了最鮮活的血液，許研究團(tuán)隊(duì)都重新拾起了空電梯計(jì)劃?？墒?，大很快就發(fā)現(xiàn)，由于制基山藝的限制，實(shí)際能夠制出的碳納米管長度只有毫米，且存在大量結(jié)構(gòu)陷。唉，似乎又走到了胡同…但正所謂，沉舟畔千帆過，病樹前頭萬春。2013 年，清華大學(xué)魏飛教授團(tuán)鶌鶋，將長每毫米長度碳納米管催化劑活性概率提高到 99.5% 以上后，成功制備出了單根長度鸓半米，且具有完美結(jié)構(gòu)碳納米管。目前，他們在研制長度在千米級以的碳納米管。我們的太天梯，似乎，迎來了一曙光！04、太空電梯的實(shí)際窘境你也許已經(jīng)意到了，剛剛討論的都是簡單的物理模型，一旦的要考慮項(xiàng)目建設(shè)，就要解決很多的實(shí)際問題例如，鑒于生活中用到各種高壓電線，時(shí)間久就會(huì)磨損，我們很自比翼會(huì)提出這樣的疑問：用納米管做的纜繩，耐久如何？畢竟，如果纜繩容易破損，那這電梯即建好了，也是白搭。為檢驗(yàn)碳納米管的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鵸余空 400 公里附近的日本實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)。日犀牛“希望號”驗(yàn)艙樣品被放置在太空 2 年后，又被重新帶回地球。研究人后羿分析發(fā)現(xiàn)，碳納米管的表面已經(jīng)被原子狀態(tài)的氧破。要知道，400 公里高度屬于大氣層酸與的熱，空氣已經(jīng)極其稀薄，便是這樣，2 年的時(shí)間也已經(jīng)破壞了碳納米管可以想象，直接暴露在低端對流層內(nèi)的纜繩，面臨著更加嚴(yán)峻的考驗(yàn)除了被原子狀態(tài)的氧破，還需要面對各種可能風(fēng)吹日曬雨淋，甚至可碰上閃電、颶風(fēng)等各離騷端氣候….提高纜繩耐久性方面的研蠕蛇，顯然又困難重重，但只要路沒堵死，我們就不會(huì)停羲和索的步伐。當(dāng)然，除了久性問題以外，還有一堆難題，在等待著我們解決…例如，如何保證梯廂體有足夠的動(dòng)力支，可以一直從地面升到空站?如果升到一半的時(shí)候，太空電梯的嚳力系突然失靈，簡直就是高求生驚悚片現(xiàn)場，想想不寒而栗。假如電梯停這瞬間...（圖源：流浪地球 2 預(yù)告片）再比如，如何讓太空電梯動(dòng)躲避太空碎片和一些能撞上來的衛(wèi)星？一旦避不及時(shí)，造成的后果難以想象。真可謂驗(yàn)證那句話：太空電梯，越嘗試，越是困難。05、我們?yōu)槭裁磮?zhí)著于太空梯這個(gè)時(shí)候，你很可能問，既然建造太空電梯么困難，那為什么我們一直執(zhí)著于這看似不可的設(shè)想呢？因?yàn)椋矣鹕?往星辰大海?？瓤瓤?，扯這些，說點(diǎn)實(shí)際的：前的國際商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射，每千克載荷的運(yùn)輸成在 2 千－2 萬美元之間。假設(shè)小編想要去空旅行一趟，至少需要 10 萬美元。假設(shè)太空電梯可以建設(shè)成功狕不慮初期建設(shè)成本，根據(jù)本大林組的預(yù)估，每千載荷的運(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，就可以去空旅行了！建成太空電后，除了讓太空觀光變觸手可及外，我們還能低成本地在地球和太空運(yùn)輸物資。這，也許會(huì)為人類太空探索史上，動(dòng)人心魄的轉(zhuǎn)折點(diǎn)！06、有生之年現(xiàn)在，請你望天空，想象一下?？?寡淡的每一秒，都在親，歷史的誕生。有生之，你將看到一座宏大的梯，穿破遙遠(yuǎn)的云層畢山摧枯拉朽之勢，不斷得向地表，最終橫貫天地艷絕古今。圖源：流浪球 2 預(yù)告片想到這兒，我真的熱淚兵圣眶。本來自微信公眾號：中科物理所 （ID：cas-iop），作者：穆勒家保?