電影《流地球 2》中的太空梯“女士，先生們太空電梯將達(dá)到失空間站，做好準(zhǔn)備從右側(cè)梯下梯。”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，有一天將親耳聽這樣的播聲，你相嗎？01、太空電梯何而來20 世紀(jì)初，被譽(yù)為“天之父“俄國科學(xué)康斯坦丁齊奧爾科斯基提出幾大構(gòu)想用液體作火箭燃料宇宙空間反作用力移動的唯方法；將節(jié)以上的箭串聯(lián)起，組成一多級火箭提高火箭速度。在百多年后今天，這設(shè)想，都經(jīng)成為了天領(lǐng)域的要應(yīng)用。斯坦丁?奧爾科夫基然而，在 1895 年提出的一個設(shè)，卻至今未實(shí)現(xiàn)。個設(shè)想，實(shí)很樸素他提議在面上建設(shè)座超高高的鐵塔，直建到地同步軌道止，在鐵內(nèi)架設(shè)電，于是我便可以搭電梯進(jìn)入太空。初太空電梯念圖這，是太空電的雛形。樣的鐵塔構(gòu)，是不感覺似曾識？實(shí)際，這就是奧爾科夫基在參觀國埃菲爾塔時受到啟發(fā)！這的構(gòu)想，與我們對梯的認(rèn)知為接近，是…地球步軌道距我們有 35786000 米，目前世界最高的建，是位于拜的哈利塔，高度只有 828 米...? ? ? 這樣一看，似乎空電梯是戲了？別！此刻，就是上世中葉的宇學(xué)家，快想想怎么決這個難！如果一半會兒沒思路的話先試著回下面這個題：新年一問點(diǎn)擊白處查看案假如，讓你把一風(fēng)箏放到 250 米的高空，了在地面奔跑，不放長線繩將風(fēng)箏放到空中外還能怎么？你可以直升機(jī)到高空，將箏扔出，慢放線，風(fēng)箏到達(dá) 250 米的半空。要問我為么要放風(fēng)，也不要我風(fēng)箏線不會斷，都不是重 (我才不承認(rèn)這個比很不嚴(yán))！重點(diǎn)是，逆向思！同樣得我們想要造一座直外太空的梯，最重的就是需提供繩索道，那么既然從地向上建造現(xiàn)實(shí)，那們…能不從太空中 "扔" 下繩索，就扔風(fēng)箏一？也就是，我們可先發(fā)射一地球同步星，然后衛(wèi)星上伸繩索 "垂" 到地面上，在地一端固定形成太空梯的運(yùn)行道。太空梯理念? (圖源 NASA)哈！這下用建塔了只需要 " 幾根繩索 " 就行了！正是樣的逆向維，使得空電梯顯不那么鏡水月，如的太空電計劃，都基于這個型。02、大林組太電梯計劃眾多太空梯計劃中尤其受人目的，是林組在 2012 年宣布的太電梯計劃2012 年 2 月，尤其擅建高塔的本著名建公司大林，宣布要資 100 億美元建設(shè)太空電，預(yù)計電時速 200 公里，單程需要 7 天，計劃 2025 年左右在赤道附的海上開，2050 年左右落成運(yùn)營。林組官網(wǎng)念圖然而距離計劃動已經(jīng)過了十年之，前景似不容樂觀就連大林公司內(nèi)部一直參與空電梯研的高級工師石川洋都坦言：個項目越嘗試，就是困難。先，不考一切外部素，太空梯主要由部分構(gòu)成電梯的廂、廂體上運(yùn)動所需纜繩軌道用于在地端固定纜的海上基，以及配。太空電結(jié)構(gòu)前面個似乎很易理解，為什么還要配重呢在剛剛提的太空電設(shè)想中，們要從同衛(wèi)星上 "扔" 下纜繩，一直 "垂" 到地球上，隨著纜繩漸下放，到的萬有力會大于心力，于纜繩會對步衛(wèi)星產(chǎn)向內(nèi)的拉，那豈不纜繩放著著，就把本穩(wěn)定的步衛(wèi)星給下來了？了解決這問題，我在向下放繩的同時也必須向”扔”東，產(chǎn)生一向外的拉，以此抵纜繩對衛(wèi)向內(nèi)的拉。向上””的東西須足夠重能夠把衛(wèi)給穩(wěn)住，們把它稱配重?？?，新問題來了！纜實(shí)際并不靜止的狀，而是在著同步衛(wèi)一起高速動，所需巨大向心可能會超材料的抗極限，導(dǎo)纜繩自己自己甩斷我們來深體會一下太空電梯材料抗拉力的要求到底有多刻。在地參考系中將纜繩簡成圓柱狀密度是 ρ，橫截面 S，一端固定于地同步衛(wèi)星另一端固于赤道海基地?？?在同步衛(wèi)軌道附近一小段纜，不考慮種額外的重，它受的拉力可這樣計算如果我們鋼作為太電梯的纜，將上式化變形，入鋼的密值，可以算得到鋼要承受的大應(yīng)力至要達(dá)到 400 GPa。但實(shí)際上，鋼的拉強(qiáng)度只 400 MPa！也就是說，便是用鋼做纜繩，會直接在大的引力用下變形至此，我遇到了異棘手的問：如何找密度小，抗拉強(qiáng)度的材料？03、太空電梯的纜繩題目前，有可能滿上述要求是碳納米：由碳原組成的管結(jié)構(gòu)納米料，這是前已知的論上力學(xué)度最高和性最好的料。碳納管結(jié)構(gòu)碳米管的密大約是 1700 kg/㎡，代入上面公計算，得如果用碳米管做太電梯的纜，碳納米的抗拉強(qiáng)至少要達(dá) 90 GPa。目前，我們能在實(shí)驗中成的碳納管的抗拉度可以達(dá) 200 GPa；甚至，對于有理想結(jié)的單壁碳米管而言其抗拉強(qiáng)可以達(dá)到 800 GPa。這樣看來，我只要生產(chǎn)幾萬公里的碳納米，把它從步衛(wèi)星上 "懸掛" 下來，固到赤道附的海上基，問題不迎刃而解！然而，們探索太電梯的道，注定崎不平。1991 年，日本科學(xué)飯島澄男現(xiàn)并命名碳納米管給陷入瓶的太空電設(shè)想注入最鮮活的液，許多究團(tuán)隊都新拾起了空電梯計?？墒?，家很快就現(xiàn)，由于備工藝的制，實(shí)際夠制備出碳納米管度只有幾米，且存大量結(jié)構(gòu)陷。唉，乎又走到死胡同…正所謂，舟側(cè)畔千過，病樹頭萬木春2013 年，清華學(xué)魏飛教團(tuán)隊，將長每毫米度碳納米的催化劑性概率提到 99.5% 以上后，成功備出了單長度超過米，且具完美結(jié)構(gòu)碳納米管目前，他正在研制度在千米以上的碳米管。我的太空天，似乎，來了一線光！04、太空電梯實(shí)際窘境也許已經(jīng)識到了，剛討論的是最簡單物理模型一旦真的考慮項目設(shè)，就需解決很多實(shí)際問題例如，鑒生活中用的各種高電線，時久了就會損，我們自然地會出這樣的問：用碳米管做的繩，耐久如何？畢，如果纜很容易破，那這電即便建好，也是白。為了檢碳納米管耐久性，本大林組 2015 年，將碳納米管樣送到了位地表上空 400 公里附近的本實(shí)驗艙。日本“望號”實(shí)艙樣品被置在太空 2 年后，又被重帶回地球研究人員析后發(fā)現(xiàn)碳納米管表面，已被原子狀的氧破壞要知道，400 公里高度屬于氣層中的層，空氣經(jīng)極其稀，即便是樣，2 年的時間也經(jīng)破壞了納米管。以想象，接暴露在低端對流內(nèi)的纜繩會面臨著加嚴(yán)峻的驗。除了原子狀態(tài)氧破壞，需要面對種可能的吹日曬雨，甚至可碰上閃電颶風(fēng)等各極端氣候.提高纜繩耐久性方的研究，然又是困重重，但要路沒被死，我們不會停下索的步伐當(dāng)然，除耐久性問以外，還一大堆難，在等待我們?nèi)ソ?…例如，何保證電廂體有足的動力支，可以一從地面升太空站?如果升到一的時候，空電梯的力系統(tǒng)突失靈，簡就是高空生驚悚片場，想想不寒而栗假如電梯在這瞬間...（圖源：流浪地 2 預(yù)告片）再比，如何讓空電梯自躲避太空片和一些能撞上來衛(wèi)星？一躲避不及，造成的果，難以象。真可驗證了那話：太空梯，越是試，越是難。05、我們?yōu)槭?執(zhí)著于太電梯這個候，你很能要問，然建造太電梯這么難，那為么我們還直執(zhí)著于看似不可的設(shè)想呢因為，我向往星辰海。咳咳，不扯這，說點(diǎn)實(shí)的：目前國際商業(yè)星發(fā)射中每千克載的運(yùn)輸成在 2 千－2 萬美元之間。設(shè)小編想去太空旅一趟，至需要 10 萬美元。假設(shè)太空梯可以建成功，不慮初期建成本，根日本大林的預(yù)估，千克載荷運(yùn)輸成本為 200 美元！也就是說，編只需要費(fèi) 7 萬左右人民，就可以太空旅行！建成太電梯后，了讓太空光變得觸可及外，們還能夠成本地在球和太空運(yùn)輸物資這，也許成為人類空探索史，最動人魄的轉(zhuǎn)折！06、有生之年現(xiàn)，請你仰天空，想一下。看寡淡的每秒，都在證，歷史誕生。有之年，你看到一座大的天梯穿破遙遠(yuǎn)云層，以枯拉朽之，不斷得向地表，終橫貫天，艷絕古。圖源：浪地球 2 預(yù)告片想到這兒，真的熱淚眶。本文自微信公號：中科物理所 （ID：cas-iop），作者穆勒家保