電影《流浪球 2》中的太空電梯“士們，先生，太空電梯將達(dá)到失重間站，請(qǐng)做準(zhǔn)備，從右梯門下梯。“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(shuō)，有天你將親耳見這樣的播聲，你相信？01、太空電梯從何而20 世紀(jì)初，被譽(yù)為“天之父“的國(guó)科學(xué)家康坦丁?齊奧科夫斯基提過(guò)幾大構(gòu)想用液體作為箭燃料；宇空間中反作力是移動(dòng)的一方法；將節(jié)以上的火串聯(lián)起來(lái)，成一列多級(jí)箭以提高火的速度。在百多年后的天，這些設(shè)，都已經(jīng)成了航天領(lǐng)域重要應(yīng)用。斯坦丁?齊爾科夫斯基而，他在 1895 年提出的一個(gè)設(shè)，卻至今仍實(shí)現(xiàn)。這個(gè)想，其實(shí)很素：他提議地面上建設(shè)座超高高高鐵塔，一直到地球同步道為止，在塔內(nèi)架設(shè)電，于是我們可以搭著電進(jìn)入外太空初代太空電概念圖這，是太空電梯雛形。這樣鐵塔結(jié)構(gòu)，不是感覺似相識(shí)？實(shí)際，這就是齊爾科夫斯基參觀法國(guó)埃爾鐵塔時(shí)受的啟發(fā)！這的構(gòu)想，也我們對(duì)電梯認(rèn)知最為接，但是…地同步軌道距我們有 35786000 米，目前世界上最高的筑，是位于拜的哈利法，高度卻只 828 米...? ? 這樣一看，似乎太空電是沒戲了？急！此刻，就是上世紀(jì)葉的宇宙學(xué)，快來(lái)想想么解決這個(gè)題！如果一半會(huì)兒沒有路的話，先著回答下面個(gè)問題：新第一問假如我讓你把一風(fēng)箏放到 250 米的高空，除了在面上奔跑，斷放長(zhǎng)線繩將風(fēng)箏放飛空中外，還怎么做？你以坐直升機(jī)更高空，將箏扔出，慢放線，讓風(fēng)到達(dá) 250 米的半空。不要問我為么要放風(fēng)箏也不要問我箏線會(huì)不會(huì)，這都不是點(diǎn) (我才不承認(rèn)這個(gè)類很不嚴(yán)謹(jǐn))！重點(diǎn)是，逆思維！同樣，我們想要造一座直達(dá)太空的電梯最重要的就需要提供繩軌道，那么既然從地面上建造不現(xiàn)，那我們…不能從太空 "扔" 下繩索，就像風(fēng)箏一樣？就是說(shuō)，我可以先發(fā)射顆地球同步星，然后從星上伸出繩 "垂" 到地面上，在面一端固定形成太空電的運(yùn)行軌道太空電梯理圖? (圖源 NASA)哈！這下不建塔了，只要 " 幾根繩索 " 就行了！正是樣的逆向思，使得太空梯顯得不那鏡花水月，今的太空電計(jì)劃，都是于這個(gè)模型02、大林組太空電梯計(jì)在眾多太空梯計(jì)劃中，其受人矚目，是大林組 2012 年宣布的太電梯計(jì)劃。2012 年 2 月，尤其擅長(zhǎng)建高塔日本著名建公司大林組宣布要投資 100 億美元建設(shè)太空梯，預(yù)計(jì)電時(shí)速 200 公里，單程需要 7 天，計(jì)劃 2025 年左右在赤道附近海上開工，2050 年左右落成運(yùn)營(yíng)大林組官網(wǎng)念圖然而，離計(jì)劃啟動(dòng)經(jīng)過(guò)去了十之久，前景乎不容樂觀就連大林組司內(nèi)部，一參與太空電研發(fā)的高級(jí)程師石川洋都坦言：這項(xiàng)目越是嘗，就越是困。首先，不慮一切外部素，太空電主要由四部構(gòu)成：電梯廂體、廂體下運(yùn)動(dòng)所需纜繩軌道、于在地球端定纜繩的海基地，以及重。太空電結(jié)構(gòu)前面三似乎很容易解，但為什還需要配重？在剛剛提的太空電梯想中，我們從同步衛(wèi)星 "扔" 下纜繩，一直 "垂" 到地球上，可隨纜繩逐漸下，受到的萬(wàn)引力會(huì)大于心力，于是繩會(huì)對(duì)同步星產(chǎn)生向內(nèi)拉力，那豈是纜繩放著著，就把原穩(wěn)定的同步星給拽下來(lái)？為了解決個(gè)問題，我在向下放纜的同時(shí)，也須向上”扔東西，產(chǎn)生個(gè)向外的拉，以此抵消繩對(duì)衛(wèi)星向的拉力。向”扔”的東必須足夠重能夠把衛(wèi)星穩(wěn)住，我們它稱為配重可是，新問又來(lái)了！纜實(shí)際并不是止的狀態(tài)，是在隨著同衛(wèi)星一起高轉(zhuǎn)動(dòng)，所需巨大向心力能會(huì)超過(guò)材的抗拉極限導(dǎo)致纜繩自把自己甩斷我們來(lái)深切會(huì)一下，太電梯對(duì)材料拉能力的要，到底有多刻。在地心考系中，將繩簡(jiǎn)化成圓狀，密度是 ρ，橫截面 S，一端固定于地球同衛(wèi)星，另一固定于赤道上基地。考在同步衛(wèi)星道附近的一段纜繩，不慮各種額外載重，它受的拉力可以樣計(jì)算：如我們用鋼作太空電梯的繩，將上式化變形，代鋼的密度值可以估算得鋼需要承受最大應(yīng)力至要達(dá)到 400 GPa。但實(shí)際上，的抗拉強(qiáng)度有 400 MPa！也就是說(shuō)，即便用鋼來(lái)做纜，也會(huì)直接強(qiáng)大的引力用下變形。此，我們遇了異常棘手問題：如何到密度小，抗拉強(qiáng)度大材料？03、太空電梯的繩難題目前最有可能滿上述要求的碳納米管：碳原子組成管狀結(jié)構(gòu)納材料，這是前已知的理上力學(xué)強(qiáng)度高和韌性最的材料。碳米管結(jié)構(gòu)碳米管的密度約是 1700 kg/㎡，代入上面式計(jì)算，得如果用碳納管做太空電的纜繩，碳米管的抗拉度至少要達(dá) 90 GPa。目前，我們能夠在實(shí)中合成的碳米管的抗拉度可以達(dá)到 200 GPa；甚至，對(duì)于具有理想構(gòu)的單壁碳米管而言，抗拉強(qiáng)度可達(dá)到 800 GPa。這樣看來(lái)，我只要生產(chǎn)出萬(wàn)公里長(zhǎng)的納米管，把從同步衛(wèi)星 "懸掛" 下來(lái)，固定赤道附近的上基站，問不就迎刃而了！然而，們探索太空梯的道路，定崎嶇不平1991 年，日本科學(xué)飯島澄男發(fā)并命名了碳米管，給陷瓶頸的太空梯設(shè)想注入最鮮活的血，許多研究隊(duì)都重新拾了太空電梯劃?？墒?，家很快就發(fā)，由于制備藝的限制，際能夠制備的碳納米管度只有幾毫，且存在大結(jié)構(gòu)缺陷。，似乎又走了死胡同…正所謂，沉側(cè)畔千帆過(guò)病樹前頭萬(wàn)春。2013 年，清華大學(xué)魏飛教授隊(duì)，將生長(zhǎng)毫米長(zhǎng)度碳米管的催化活性概率提到 99.5% 以上后，成功制備出單根長(zhǎng)度超半米，且具完美結(jié)構(gòu)的納米管。目，他們正在制長(zhǎng)度在千級(jí)以上的碳米管。我們太空天梯，乎，迎來(lái)了線曙光！04、太空電梯實(shí)際窘境你許已經(jīng)意識(shí)了，剛剛討的都是最簡(jiǎn)的物理模型一旦真的要慮項(xiàng)目建設(shè)就需要解決多的實(shí)際問。例如，鑒生活中用到各種高壓電，時(shí)間久了會(huì)磨損，我很自然地會(huì)出這樣的疑：用碳納米做的纜繩，久性如何？竟，如果纜很容易破損那這電梯即建好了，也白搭。為了驗(yàn)碳納米管耐久性，日大林組于 2015 年，將碳納米管品送到了位地表上空 400 公里附近的日本實(shí)艙內(nèi)。日本希望號(hào)”實(shí)艙樣品被放在太空中 2 年后，又被重新帶回地。研究人員析后發(fā)現(xiàn)，納米管的表，已經(jīng)被原狀態(tài)的氧破。要知道，400 公里高度屬于大氣中的熱層，氣已經(jīng)極其薄，即便是樣，2 年的時(shí)間也已經(jīng)壞了碳納米?？梢韵胂?直接暴露在低端對(duì)流層的纜繩，會(huì)臨著更加嚴(yán)的考驗(yàn)。除被原子狀態(tài)氧破壞，還要面對(duì)各種能的風(fēng)吹日雨淋，甚至能碰上閃電颶風(fēng)等各種端氣候….提高纜繩耐久方面的研究顯然又是困重重，但只路沒被堵死我們就不會(huì)下探索的步。當(dāng)然，除耐久性問題外，還有一堆難題，在待著我們?nèi)?決…例如，何保證電梯體有足夠的力支持，可一直從地面到太空站?如果升到一半時(shí)候，太空梯的動(dòng)力系突然失靈，直就是高空生驚悚片現(xiàn)，想想都不而栗。假如梯停在這瞬...（圖源：流浪地球 2 預(yù)告片）再比如，如讓太空電梯動(dòng)躲避太空片和一些可撞上來(lái)的衛(wèi)？一旦躲避及時(shí)，造成后果，難以象。真可謂證了那句話太空電梯，是嘗試，越困難。05、我們?yōu)槭裁?著于太空電這個(gè)時(shí)候，很可能要問既然建造太電梯這么困，那為什么們還一直執(zhí)于這看似不能的設(shè)想呢因?yàn)?，我?往星辰大海咳咳咳，不這些，說(shuō)點(diǎn)際的：目前國(guó)際商業(yè)衛(wèi)發(fā)射中，每克載荷的運(yùn)成本在 2 千－2 萬(wàn)美元之間。假小編想要去空旅行一趟至少需要 10 萬(wàn)美元。假設(shè)太空電可以建設(shè)成，不考慮初建設(shè)成本，據(jù)日本大林的預(yù)估，每克載荷的運(yùn)成本約為 200 美元！也就是說(shuō)，編只需要花 7 萬(wàn)左右人民幣，就以去太空旅了！建成太電梯后，除讓太空觀光得觸手可及，我們還能低成本地在球和太空間輸物資。這也許會(huì)成為類太空探索上，最動(dòng)人魄的轉(zhuǎn)折點(diǎn)06、有生之年現(xiàn)在，請(qǐng)仰望天空，象一下?？?寡淡的每一，都在親證歷史的誕生有生之年，將看到一座大的天梯，破遙遠(yuǎn)的云，以摧枯拉之勢(shì)，不斷沖向地表，終橫貫天地艷絕古今。源：流浪地 2 預(yù)告片想到這兒，真的熱淚盈。本文來(lái)自信公眾號(hào)：科院物理所 （ID：cas-iop），作者：穆家保?