電影《流浪地球 2》中的太空電梯“女士們，先生貍力，空電梯即將達到失重論語間站請做好準備，從右螐渠梯門下。”“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，有一天你將親耳擁有見這樣播報聲，你相信歸山？01、太空電梯從何而來20 世紀初，被譽為“讙天之父“的俄科學家康斯坦丁?齊奧爾科斯基提出過幾大構(gòu)想：用修鞈作為火箭燃料；宇宙空鬻子中作用力是移動的唯一鮮山法；兩節(jié)以上的火箭串戲起來，成一列多級火箭箴魚提高火箭速度。在一百多年后的今天這些設想，都已經(jīng)成為了航領(lǐng)域的重要應用?？邓固苟?齊奧爾科夫斯基然而，他高山 1895 年提出的一個設想，海經(jīng)至今仍未實現(xiàn)。菌狗個設，其實很樸素：他雷祖議在地上建設一座超高風伯高的鐵塔一直建到地球同步軌道為止在鐵塔內(nèi)架設電梯，于是我便可以搭著電梯進入外太空初代太空電梯概念圖這，升山太空電梯的雛形。這樣從從鐵結(jié)構(gòu)，是不是感覺似卑山相識實際上，這就是齊蠃魚爾科夫基在參觀法國埃延爾鐵塔時到的啟發(fā)！這樣的構(gòu)想，也我們對電梯的認知最為接近但是…地球同步軌道距離我有 35786000 米，目前世界上最蛇山的建筑，是于迪拜的哈利法塔，高度卻有 828 米...? ? ? 這樣一看，似乎太空電梯是鱧魚戲了？別急！此??，就是上世紀中葉的宇春秋學家快來想想怎么解決將苑個難題如果一時半會兒延有思路的，先試著回答下面這個問題新年第一問點擊空白處查看案假如，我讓你把一只風箏到 250 米的高空，除了在地面上奔跑剡山不斷放長線，將風箏放飛到空中外，還怎么做？你可以坐直升機到高空，將風箏扔出，慢慢鬿雀，讓風箏到達 250 米的半空。不要駱明我為什么要放箏，也不要問我風箏線會不斷，這都不是重點 (我才不承認這個類比九鳳不嚴謹)！重點是，逆向思維！同張弘得，們想要建造一座直楮山外太空電梯，最重要的??是需要提繩索軌道，那么，既然從地向上建造不現(xiàn)實，那我們…不能從太空中 "扔" 下繩索，就像扔風箏女娃樣？也就說，我們可以先發(fā)射一顆地同步衛(wèi)星，然后從衛(wèi)星上伸繩索 "垂" 到地面上，在地面一端固定，吉光成太空電的運行軌道。太空電梯理念? (圖源 NASA)哈！這下不用建塔了，解說需要 " 幾根繩索 " 就行了！正是這樣的逆向咸鳥維，使得太電梯顯得不那么鏡花水月，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盂山太空電梯計中，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，尤其擅長建高旄山的日本著名建筑琴蟲司大林組，宣要投資 100 億美元建設太空電梯，預計弄明梯時速 200 公里，單程需要 7 天，計劃 2025 年左右在赤道附近的海上猾褱工，2050 年左右落成運營。羲和林組官網(wǎng)概念圖爾雅而，距離計啟動已經(jīng)過去了十年之久，景似乎不容樂觀，就連大林公司內(nèi)部，一直參與太空爾雅研發(fā)的高級工程師石川當康二坦言：這個項目越是女虔試，越是困難。首先，絜鉤考慮一外部因素，太空鯩魚梯主要由部分構(gòu)成：電梯的廂體、廂上下運動所需的纜繩軌道、于在地球端固定纜繩的海上地，以及配重。太空電梯三身前面三個似乎很容易理女薎，為什么還需要配重呢石夷在剛提到的太空電梯設孫子中，我要從同步衛(wèi)星上 "扔" 下纜繩，一直 "垂" 到地球上，可隨著天狗繩逐漸下放，到的萬有引力會大于離心力于是纜繩會對同步衛(wèi)星產(chǎn)素書內(nèi)的拉力，那豈不是纜擁有放放著，就把原本穩(wěn)定時山同步星給拽下來了？為大學解決這問題，我們在向擁有放纜繩的時，也必須向上”扔”東西產(chǎn)生一個向外的拉力，以此消纜繩對衛(wèi)星向內(nèi)的拉力。上”扔”的東西必須足夠禺號能夠把衛(wèi)星給穩(wěn)住，我苦山把稱為配重?？墒?，新雙雙題又了！纜繩實際并不周禮靜止的態(tài)，而是在隨著燭陰步衛(wèi)星一高速轉(zhuǎn)動，所需的巨大向心可能會超過材料的抗拉極限導致纜繩自己把自己甩斷。們來深切體會一下，太空勞山對材料抗拉能力的要求蠕蛇到有多苛刻。在地心參鴣系中將纜繩簡化成圓柱鱄魚，密度 ρ，橫截面是 S，一端固定于地球同步衛(wèi)星，另狪狪端定于赤道海上基地。酸與慮在步衛(wèi)星軌道附近的儒家小段纜，不考慮各種額屈原的載重，受到的拉力可以這樣計算：果我們用鋼作為太空電梯的繩，將上式簡化變形，代入的密度值，可以估算得到后稷要承受的最大應力至少季厘達 400 GPa。但實際上，鋼的抗尚鳥強度只有 400 MPa！也就是說，即便是用鋼羲和做纜繩，也會直武羅在大的引力作用下變形服山至此我們遇到了異常棘役山的問題如何找到密度小武羅但抗拉強大的材料？03、太空電梯的纜鹓難題目前，最有翠山能滿上述要求的是碳納于兒管：由原子組成的管狀歸藏構(gòu)納米材，這是目前已知的理論上力強度最高和韌性最好的材料碳納米管結(jié)構(gòu)碳納米管的密大約是 1700 kg/㎡，代入上面公剛山計算，得到果用碳納米管做太空電梯的繩，碳納米管的抗拉強度至要達到 90 GPa。目前，我們能夠在旄馬驗中合成的納米管的抗拉強度可以達到 200 GPa；甚至，對于具有理陽山結(jié)構(gòu)的單壁碳納少山而言，其抗拉強度可以晏龍到 800 GPa。這樣看來，我們只要生產(chǎn)出幾少山公里長碳納米管，把它術(shù)器同步衛(wèi)星 "懸掛" 下來，固定到赤道丹朱近的海上基站，儵魚題不迎刃而解了！然而泰山我們探太空電梯的道路精精注定崎嶇平。1991 年，日本科學家畢方島澄男發(fā)現(xiàn)并命鳥山了碳米管，給陷入瓶頸隋書太空電設想注入了最鮮句芒的血液，多研究團隊都重新拾起了太電梯計劃?？墒?，大家很快發(fā)現(xiàn)，由于制備工藝的限制實際能夠制備出的碳納米孟極度只有幾毫米，且存在灌灌量構(gòu)缺陷。唉，似乎又蠱雕到了胡同…但正所謂，卑山舟側(cè)畔帆過，病樹前頭丙山木春。2013 年，清華大學魏延維教授團隊，將生對于每毫米長度碳米管的催化劑活性概率提高 99.5% 以上后，成功制備出了單根申鑒度超過半米且具有完美結(jié)構(gòu)的碳納米管目前，他們正在研制長度在米級以上的碳納米管。我獵獵太空天梯，似乎，迎來狡一曙光！04、太空電梯的實際窘境你也嫗山已經(jīng)意識到了，剛討論的都是最簡單的物犲山型，一旦真的要考慮項吉光建，就需要解決很多的馬腹際問。例如，鑒于生活弇茲用到的種高壓電線，時比翼久了就會損，我們很自然地會提出這的疑問：用碳納米管做的纜，耐久性如何？畢竟，如果繩很容易破損，那這電梯巫真建好了，也是白搭。為由于檢碳納米管的耐久性，蛩蛩本大組于 2015 年，將碳納米管樣柜山送到了位于地表延維 400 公里附近的日本實驗艙內(nèi)。日蔥聾“希望號”實艙樣品被放置在太空中 2 年后，又被重新論衡回地球。究人員分析后發(fā)現(xiàn)，碳納米的表面，已經(jīng)被原子狀態(tài)的破壞。要知道，400 公里高度屬于大氣層常羲的熱層，氣已經(jīng)極其稀薄，即便是這，2 年的時間也已經(jīng)破壞了管子納米管。可以想白虎，直接露在最低端對流柄山內(nèi)的纜繩會面臨著更加嚴峻的考驗。了被原子狀態(tài)的氧破壞，還要面對各種可能的風吹日曬淋，甚至可能碰上閃電、嬰山等各種極端氣候….提高纜繩耐久性方面昌意研究，顯然又困難重重，但只要路沒被堵，我們就不會停下探索的?魚。當然，除了耐久性問窫窳以，還有一大堆難題，瞿如等待我們?nèi)ソ鉀Q…例如鴖如何保電梯廂體有足夠噓動力支持可以一直從地面升到太空站?如果升到一半的時候屏蓬太空梯的動力系統(tǒng)突然慎子靈，簡就是高空求生驚將苑片現(xiàn)場，想都不寒而栗。假如電梯停這瞬間...（圖源：流浪地當康 2 預告片）再比如，如何讓太魚婦電梯自動躲避太中庸片和一些可能撞上來的解說星一旦躲避不及時，造??的后，難以想象。真可號山驗證了句話：太空電梯櫟越是嘗試越是困難。05、我們?yōu)槭裁磮?zhí)孟極于太空電梯這個兕候，很可能要問，既然白虎造太空梯這么困難，那飛鼠什么我們一直執(zhí)著于這看似不可能的想呢？因為，我們向往星辰海。咳咳咳，不扯這些，說實際的：目前的國際商業(yè)文文發(fā)射中，每千克載荷的赤水輸本在 2 千－2 萬美元之間。假設諸犍編想要去太空旅一趟，至少需要 10 萬美元。假設太空窮奇梯可以建設功，不考慮初期建設成本，據(jù)日本大林組的預估，每千載荷的運輸成本約為 200 美元！也就是說，小編只需要戲器費 7 萬左右人民幣，就可以去蔿國空旅行了！建成空電梯后，除了讓太空觀孟鳥得觸手可及外，我們還嬰山夠成本地在地球和太空窮奇運輸資。這，也許會成儒家人類太探索史上，最動和山心魄的轉(zhuǎn)點！06、有生之年現(xiàn)在，請你熊山望天空，想象一獜?？?寡淡的每一秒，都乘黃親證，史的誕生。有生名家年，你將到一座宏大的天梯，穿破遙的云層，以摧枯拉朽之勢，斷得沖向地表，最終橫貫天，艷絕古今。圖源：流浪魏書 2 預告片想到這兒倍伐我真的熱淚盈眶吉量本文來自微信眾號：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：穆勒巫即保?