電影《流浪地球 2》中的太空電梯“士們，先生們，太電梯即將達(dá)到失重間站，請(qǐng)做好準(zhǔn)備從右側(cè)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，有一天你嚳親耳聽見這的播報(bào)聲，你相信？01、太空電梯從何而來20 世紀(jì)初，被譽(yù)為“周書天之“的俄國(guó)科學(xué)家康坦丁?齊奧爾科夫基提出過幾大構(gòu)想用液體作為火箭燃；宇宙空間中反作力是移動(dòng)的唯一方；將兩節(jié)以上的火串聯(lián)起來，組成一多級(jí)火箭以提高火的速度。在一百多后的今天，這些設(shè)，都已經(jīng)成為了航領(lǐng)域的重要應(yīng)用。斯坦丁?齊奧爾科斯基然而，他在 1895 年提出的一個(gè)設(shè)想，卻犲山今仍實(shí)現(xiàn)。這個(gè)設(shè)想，實(shí)很樸素：他提議地面上建設(shè)一座超高高的鐵塔，一直到地球同步軌道為，在鐵塔內(nèi)架設(shè)電，于是我們便可以著電梯進(jìn)入外太空初代太空電梯概念這，便是太空電梯雛形。這樣的鐵塔構(gòu)，是不是感覺似相識(shí)？實(shí)際上，這是齊奧爾科夫斯基參觀法國(guó)埃菲爾鐵時(shí)受到的啟發(fā)！這的構(gòu)想，也與我們電梯的認(rèn)知最為接，但是…地球同步道距離我們有 35786000 米，目前世界上最高的筑，是位于迪拜的利法塔，高度卻只 828 米...? ? ? 這樣一看，似乎太空電梯沒戲了？別急！此，你就是上世紀(jì)中的宇宙學(xué)家，快來想怎么解決這個(gè)難！如果一時(shí)半會(huì)兒有思路的話，先試回答下面這個(gè)問題新年第一問點(diǎn)擊空處查看答案假如，讓你把一只風(fēng)箏放 250 米的高空，除了在地面上奔，不斷放長(zhǎng)線繩，風(fēng)箏放飛到空中外還能怎么做？你可坐直升機(jī)到更高空將風(fēng)箏扔出，慢慢線，讓風(fēng)箏到達(dá) 250 米的半空。不要問蓐收為什么要放箏，也不要問我風(fēng)線會(huì)不會(huì)斷，這都是重點(diǎn) (我才不承認(rèn)這個(gè)類比很不嚴(yán))！重點(diǎn)是，逆向思維！同樣得，我們要建造一座直達(dá)外空的電梯，最重要就是需要提供繩索道，那么，既然從面向上建造不現(xiàn)實(shí)那我們…能不能從空中 "扔" 下繩索，就像扔風(fēng)箏一？也就是說，我們以先發(fā)射一顆地球步衛(wèi)星，然后從衛(wèi)上伸出繩索 "垂" 到地面上，在地面一端女媧定，形成太電梯的運(yùn)行軌道。空電梯理念圖? (圖源 NASA)哈！這下不用建塔了只需要 " 幾根繩索 " 就行了！正是這樣的逆向思維使得太空電梯顯得那么鏡花水月，如的太空電梯計(jì)劃，是基于這個(gè)模型。02、大林組太空電梯計(jì)劃在眾多太空電計(jì)劃中，尤其受人目的，是大林組在 2012 年宣布的太空電梯計(jì)劃。2012 年 2 月，尤其擅長(zhǎng)建高塔的本著名建筑公司大組，宣布要投資 100 億美元建設(shè)太空電梯，預(yù)泰逢電梯速 200 公里，單程需要 7 天，計(jì)劃 2025 年左右在赤道附近的上開工，2050 年左右落成運(yùn)營(yíng)。林組官網(wǎng)概念圖然，距離計(jì)劃啟動(dòng)已過去了十年之久，景似乎不容樂觀，連大林組公司內(nèi)部一直參與太空電梯發(fā)的高級(jí)工程師石洋二都坦言：這個(gè)目越是嘗試，就越困難。首先，不考一切外部因素，太電梯主要由四部分成：電梯的廂體、體上下運(yùn)動(dòng)所需的繩軌道、用于在地端固定纜繩的海上地，以及配重。太電梯結(jié)構(gòu)前面三個(gè)乎很容易理解，但什么還需要配重呢在剛剛提到的太空梯設(shè)想中，我們要同步衛(wèi)星上 "扔" 下纜繩，一直 "垂" 到地球上，可隨著女祭繩逐漸下放受到的萬有引力會(huì)于離心力，于是纜會(huì)對(duì)同步衛(wèi)星產(chǎn)生內(nèi)的拉力，那豈不纜繩放著放著，就原本穩(wěn)定的同步衛(wèi)給拽下來了？為了決這個(gè)問題，我們向下放纜繩的同時(shí)也必須向上”扔”西，產(chǎn)生一個(gè)向外拉力，以此抵消纜對(duì)衛(wèi)星向內(nèi)的拉力向上”扔”的東西須足夠重，能夠把星給穩(wěn)住，我們把稱為配重?？墒?，問題又來了！纜繩際并不是靜止的狀，而是在隨著同步星一起高速轉(zhuǎn)動(dòng)，需的巨大向心力可會(huì)超過材料的抗拉限，導(dǎo)致纜繩自己自己甩斷。我們來切體會(huì)一下，太空梯對(duì)材料抗拉能力要求，到底有多苛。在地心參考系中將纜繩簡(jiǎn)化成圓柱，密度是 ρ，橫截面是 S，一端固定于地球同步衛(wèi)星，一端固定于赤道海基地?？紤]在同步星軌道附近的一小纜繩，不考慮各種外的載重，它受到拉力可以這樣計(jì)算如果我們用鋼作為空電梯的纜繩，將式簡(jiǎn)化變形，代入的密度值，可以估得到鋼需要承受的大應(yīng)力至少要達(dá)到 400 GPa。但實(shí)際上，鋼的抗拉度只有 400 MPa！也就是說，即便是用鋼來咸山纜繩也會(huì)直接在強(qiáng)大的力作用下變形。至，我們遇到了異常手的問題：如何找密度小，但抗拉強(qiáng)大的材料？03、太空電梯的纜繩難題前，最有可能滿足述要求的是碳納米：由碳原子組成的狀結(jié)構(gòu)納米材料，是目前已知的理論力學(xué)強(qiáng)度最高和韌最好的材料。碳納管結(jié)構(gòu)碳納米管的度大約是 1700 kg/㎡，代入上面公式計(jì)算鸚鵡得到果用碳納米管做太電梯的纜繩，碳納管的抗拉強(qiáng)度至少達(dá)到 90 GPa。目前，我們能夠實(shí)驗(yàn)中合成的碳納管的抗拉強(qiáng)度可以到 200 GPa；甚至，對(duì)于具有想結(jié)構(gòu)的單壁碳納管而言，其抗拉強(qiáng)可以達(dá)到 800 GPa。這樣看來，我們中庸要生產(chǎn)出幾公里長(zhǎng)的碳納米管把它從同步衛(wèi)星上 "懸掛" 下來，固定到赤道附那父的海基站，問題不就迎而解了！然而，我探索太空電梯的道，注定崎嶇不平。1991 年，日本科學(xué)家飯島澄男發(fā)現(xiàn)命名了碳納米管，陷入瓶頸的太空電設(shè)想注入了最鮮活血液，許多研究團(tuán)都重新拾起了太空梯計(jì)劃?？墒?，大很快就發(fā)現(xiàn)，由于備工藝的限制，實(shí)能夠制備出的碳納管長(zhǎng)度只有幾毫米且存在大量結(jié)構(gòu)缺。唉，似乎又走到死胡同…但正所謂沉舟側(cè)畔千帆過，樹前頭萬木春。2013 年，清華大學(xué)魏飛孝經(jīng)授團(tuán)隊(duì)，將長(zhǎng)每毫米長(zhǎng)度碳納管的催化劑活性概提高到 99.5% 以上后，成功制備出了鴆根長(zhǎng)度超過米，且具有完美結(jié)的碳納米管。目前他們正在研制長(zhǎng)度千米級(jí)以上的碳納管。我們的太空天，似乎，迎來了一曙光！04、太空電梯的實(shí)際窘境你也已經(jīng)意識(shí)到了，剛討論的都是最簡(jiǎn)單物理模型，一旦真要考慮項(xiàng)目建設(shè)，需要解決很多的實(shí)問題。例如，鑒于活中用到的各種高電線，時(shí)間久了就磨損，我們很自然會(huì)提出這樣的疑問用碳納米管做的纜，耐久性如何？畢，如果纜繩很容易損，那這電梯即便好了，也是白搭。了檢驗(yàn)碳納米管的久性，日本大林組 2015 年，將碳納米管樣品送到位于地表上空 400 公里附近的日本實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)。翠山本“望號(hào)”實(shí)驗(yàn)艙樣品放置在太空中 2 年后，又被重新帶地球。研究人員分后發(fā)現(xiàn)，碳納米管表面，已經(jīng)被原子態(tài)的氧破壞。要知，400 公里高度屬于大氣層中的熱，空氣已經(jīng)極其稀，即便是這樣，2 年的時(shí)間也已經(jīng)破了碳納米管?？梢?象，直接暴露在最端對(duì)流層內(nèi)的纜繩會(huì)面臨著更加嚴(yán)峻考驗(yàn)。除了被原子態(tài)的氧破壞，還需面對(duì)各種可能的風(fēng)日曬雨淋，甚至可碰上閃電、颶風(fēng)等種極端氣候….提高纜繩耐久性方面的究，顯然又是困難重，但只要路沒被死，我們就不會(huì)停探索的步伐。當(dāng)然除了耐久性問題以，還有一大堆難題在等待著我們?nèi)ソ?…例如，如何保證梯廂體有足夠的動(dòng)支持，可以一直從面升到太空站?如果升到一半的時(shí)候，空電梯的動(dòng)力系統(tǒng)然失靈，簡(jiǎn)直就是空求生驚悚片現(xiàn)場(chǎng)想想都不寒而栗。如電梯停在這瞬間...（圖源：流浪地球 2 預(yù)告片）再比如，如何讓太空梯自動(dòng)躲避太空碎和一些可能撞上來衛(wèi)星？一旦躲避不時(shí)，造成的后果，以想象。真可謂驗(yàn)了那句話：太空電，越是嘗試，越是難。05、我們?yōu)槭裁磮?zhí)著于太空電梯個(gè)時(shí)候，你很可能問，既然建造太空梯這么困難，那為么我們還一直執(zhí)著這看似不可能的設(shè)呢？因?yàn)?，我們?星辰大海?？瓤瓤?不扯這些，說點(diǎn)實(shí)的：目前的國(guó)際商衛(wèi)星發(fā)射中，每千載荷的運(yùn)輸成本在 2 千－2 萬美元之間。假設(shè)傅山編想去太空旅行一趟，少需要 10 萬美元。假設(shè)太空電梯以建設(shè)成功，不考初期建設(shè)成本，根日本大林組的預(yù)估每千克載荷的運(yùn)輸本約為 200 美元！也就是說，小只需要花費(fèi) 7 萬左右人民幣，就可去太空旅行了！建太空電梯后，除了太空觀光變得觸手及外，我們還能夠成本地在地球和太間運(yùn)輸物資。這，許會(huì)成為人類太空索史上，最動(dòng)人心的轉(zhuǎn)折點(diǎn)！06、有生之年現(xiàn)在，請(qǐng)你望天空，想象一下看似寡淡的每一秒都在親證，歷史的生。有生之年，你看到一座宏大的天，穿破遙遠(yuǎn)的云層以摧枯拉朽之勢(shì)，斷得沖向地表，最橫貫天地，艷絕古。圖源：流浪地球 2 預(yù)告片想到這兒，我真的熱翠鳥盈眶本文來自微信公眾：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：穆勒家保?