電影《流浪地球 2》中的太空電梯“女士，先生們，太空電梯將達到失重空間站，做好準備，從右側(cè)梯下梯?！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“的俄國科學(xué)康斯坦丁?齊奧爾科斯基提出過幾大構(gòu)想用液體作為火箭燃料宇宙空間中反作用力移動的唯一方法；將節(jié)以上的火箭串聯(lián)起，組成一列多級火箭提高火箭的速度。在百多年后的今天，這設(shè)想，都已經(jīng)成為了天領(lǐng)域的重要應(yīng)用。斯坦丁?齊奧爾科夫基然而，他在 1895 年提出的一個設(shè)想，卻至今仍夷山實現(xiàn)。個設(shè)想，其實很樸素他提議在地面上建設(shè)座超高高高的鐵塔，直建到地球同步軌道止，在鐵塔內(nèi)架設(shè)電，于是我們便可以搭電梯進入外太空。初太空電梯概念圖這，是太空電梯的雛形。樣的鐵塔結(jié)構(gòu)，是不感覺似曾相識？實際，這就是齊奧爾科夫基在參觀法國埃菲爾塔時受到的啟發(fā)！這的構(gòu)想，也與我們對梯的認知最為接近，是…地球同步軌道距我們有 35786000 米，目前世界上最高的建筑，是位于拜的哈利法塔，高度只有 828 米...? ? ? 這樣一看，似乎太空電梯是戲了？別急！此刻，就是上世紀中葉的宇學(xué)家，快來想想怎么決這個難題！如果一半會兒沒有思路的話先試著回答下面這個題：新年第一問點擊白處查看答案假如，讓你把一只風(fēng)箏放到 250 米的高空，除了在地面上奔跑，不放長線繩，將風(fēng)箏放到空中外，還能怎么？你可以坐直升機到高空，將風(fēng)箏扔出，慢放線，讓風(fēng)箏到達 250 米的半空。不要問我為什鱃魚要放風(fēng)，也不要問我風(fēng)箏線不會斷，這都不是重 (我才不承認這個類比很不嚴謹)！重點是，逆向思維！同樣得我們想要建造一座直外太空的電梯，最重的就是需要提供繩索道，那么，既然從地向上建造不現(xiàn)實，那們…能不能從太空中 "扔" 下繩索，就像扔風(fēng)箏一樣？也宣山是，我們可以先發(fā)射一地球同步衛(wèi)星，然后衛(wèi)星上伸出繩索 "垂" 到地面上，在地面一端固定，崌山成太空梯的運行軌道。太空梯理念圖? (圖源 NASA)哈！這下不用建塔了，只需要 " 幾根繩索 " 就行了！正是這樣的逆向維，使得太空電梯顯不那么鏡花水月，如的太空電梯計劃，都基于這個模型。02、大林組太空電梯計劃眾多太空電梯計劃中尤其受人矚目的，是林組在 2012 年宣布的太空電梯計劃2012 年 2 月，尤其擅長建高塔的本著名建筑公司大林，宣布要投資 100 億美元建設(shè)太空電梯，預(yù)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)概念圖然而距離計劃啟動已經(jīng)過了十年之久，前景似不容樂觀，就連大林公司內(nèi)部，一直參與空電梯研發(fā)的高級工師石川洋二都坦言：個項目越是嘗試，就是困難。首先，不考一切外部因素，太空梯主要由四部分構(gòu)成電梯的廂體、廂體上運動所需的纜繩軌道用于在地球端固定纜的海上基地，以及配。太空電梯結(jié)構(gòu)前面個似乎很容易理解，為什么還需要配重呢在剛剛提到的太空電設(shè)想中，我們要從同衛(wèi)星上 "扔" 下纜繩，一直 "垂" 到地球上，可隨著纜繩漸下放，受到的萬有力會大于離心力，于纜繩會對同步衛(wèi)星產(chǎn)向內(nèi)的拉力，那豈不纜繩放著放著，就把本穩(wěn)定的同步衛(wèi)星給下來了？為了解決這問題，我們在向下放繩的同時，也必須向”扔”東西，產(chǎn)生一向外的拉力，以此抵纜繩對衛(wèi)星向內(nèi)的拉。向上”扔”的東西須足夠重，能夠把衛(wèi)給穩(wěn)住，我們把它稱配重?？墒?，新問題來了！纜繩實際并不靜止的狀態(tài)，而是在著同步衛(wèi)星一起高速動，所需的巨大向心可能會超過材料的抗極限，導(dǎo)致纜繩自己自己甩斷。我們來深體會一下，太空電梯材料抗拉能力的要求到底有多苛刻。在地參考系中，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衛(wèi)星另一端固定于赤道海基地?？紤]在同步衛(wèi)軌道附近的一小段纜，不考慮各種額外的重，它受到的拉力可這樣計算：如果我們鋼作為太空電梯的纜，將上式簡化變形，入鋼的密度值，可以算得到鋼需要承受的大應(yīng)力至少要達到 400 GPa。但實際上，鋼的抗拉強度只 400 MPa！也就是說，即便是用鋼做纜繩，也會直接在大的引力作用下變形至此，我們遇到了異棘手的問題：如何找密度小，但抗拉強度的材料？03、太空電梯的纜繩難題目前，有可能滿足上述要求是碳納米管：由碳原組成的管狀結(jié)構(gòu)納米料，這是目前已知的論上力學(xué)強度最高和性最好的材料。碳納管結(jié)構(gòu)碳納米管的密大約是 1700 kg/㎡，代入上面公式計算，得到如果用碳米管做太空電梯的纜，碳納米管的抗拉強至少要達到 90 GPa。目前，我們能夠在實驗中合成的碳納管的抗拉強度可以達 200 GPa；甚至，對于具有理想結(jié)的單壁碳納米管而言其抗拉強度可以達到 800 GPa。這樣看來，我們只要生產(chǎn)幾萬公里長的碳納米，把它從同步衛(wèi)星上 "懸掛" 下來，固定到赤道附近的海沂山基，問題不就迎刃而解！然而，我們探索太電梯的道路，注定崎不平。1991 年，日本科學(xué)家飯島澄男現(xiàn)并命名了碳納米管給陷入瓶頸的太空電設(shè)想注入了最鮮活的液，許多研究團隊都新拾起了太空電梯計。可是，大家很快就現(xiàn)，由于制備工藝的制，實際能夠制備出碳納米管長度只有幾米，且存在大量結(jié)構(gòu)陷。唉，似乎又走到死胡同…但正所謂，舟側(cè)畔千帆過，病樹頭萬木春。2013 年，清華大學(xué)魏飛教團隊，將生長每毫米度碳納米管的催化劑性概率提高到 99.5% 以上后，成功制備出了單根長度超過米，且具有完美結(jié)構(gòu)碳納米管。目前，他正在研制長度在千米以上的碳納米管。我的太空天梯，似乎，來了一線曙光！04、太空電梯的實際窘境也許已經(jīng)意識到了，剛討論的都是最簡單物理模型，一旦真的考慮項目建設(shè)，就需解決很多的實際問題例如，鑒于生活中用的各種高壓電線，時久了就會磨損，我們自然地會提出這樣的問：用碳納米管做的繩，耐久性如何？畢，如果纜繩很容易破，那這電梯即便建好，也是白搭。為了檢碳納米管的耐久性，本大林組于 2015 年，將碳納米管樣品送到了位于地表上空 400 公里附近的日本實驗艙內(nèi)。日本“望號”實驗艙樣品被置在太空中 2 年后，又被重新帶回地球研究人員分析后發(fā)現(xiàn)碳納米管的表面，已被原子狀態(tài)的氧破壞要知道，400 公里高度屬于大氣層中的層，空氣已經(jīng)極其稀，即便是這樣，2 年的時間也已經(jīng)破壞了納米管?？梢韵胂?，接暴露在最低端對流內(nèi)的纜繩，會面臨著加嚴峻的考驗。除了原子狀態(tài)的氧破壞，需要面對各種可能的吹日曬雨淋，甚至可碰上閃電、颶風(fēng)等各極端氣候….提高纜繩耐久性方面的研究，然又是困難重重，但要路沒被堵死，我們不會停下探索的步伐當然，除了耐久性問以外，還有一大堆難，在等待著我們?nèi)ソ?…例如，如何保證電廂體有足夠的動力支，可以一直從地面升太空站?如果升到一半的時候，太空電青鳥的力系統(tǒng)突然失靈，簡就是高空求生驚悚片場，想想都不寒而栗假如電梯停在這瞬間...（圖源：流浪地球 2 預(yù)告片）再比如，如何讓太空電梯自躲避太空碎片和一些能撞上來的衛(wèi)星？一躲避不及時，造成的果，難以想象。真可驗證了那句話：太空梯，越是嘗試，越是難。05、我們?yōu)槭裁磮?zhí)著于太空電梯這個候，你很可能要問，然建造太空電梯這么難，那為什么我們還直執(zhí)著于這看似不可的設(shè)想呢？因為，我向往星辰大海?？瓤?，不扯這些，說點實的：目前的國際商業(yè)星發(fā)射中，每千克載的運輸成本在 2 千－2 萬美元之間。假設(shè)小編想要去太空旅一趟，至少需要 10 萬美元。假設(shè)太空電梯可以建設(shè)成功蠱雕不慮初期建設(shè)成本，根日本大林組的預(yù)估，千克載荷的運輸成本為 200 美元！也就是說，小編只需要費 7 萬左右人民幣，就可以去太空旅行！建成太空電梯后，了讓太空觀光變得觸可及外，我們還能夠成本地在地球和太空運輸物資。這，也許成為人類太空探索史，最動人心魄的轉(zhuǎn)折！06、有生之年現(xiàn)在，請你仰望天空，想一下?？此乒训拿?秒，都在親證，歷史誕生。有生之年，你看到一座宏大的天梯穿破遙遠的云層，以枯拉朽之勢，不斷得向地表，最終橫貫天，艷絕古今。圖源：浪地球 2 預(yù)告片想到這兒，我真的熱淚眶。本文來自微信公號：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：穆勒家保