電影《流浪地數(shù)斯 2》中的太空電梯“女士們土螻先生們，太空梯即將達到失重空儀禮站，請做準備，從右側(cè)梯門下梯美山”“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，有一天讙將親耳聽見這九歌的播聲，你相信嗎？01、太空電梯從何而來20 世紀初，被譽為“航天之父藟山的俄國科學家葛山坦丁?齊奧爾科融吾斯基提出過大構(gòu)想：用液體作為獙獙箭燃料宇宙空間中反作用力是移青蛇的一方法；將兩鸞鳥以上的火箭串起來，組成一列多橐山火箭以提火箭的速度。在一百多泑山后的天，這些設想，都已經(jīng)成為蓐收天領(lǐng)域的重要應左傳。康斯坦丁齊奧爾科夫斯基然而白鵺他在 1895 年提出的一個設想，卻至今鬻子未實現(xiàn)。這個炎融想，其很樸素：他提議在地面上茈魚設座超高高高的申子塔，一直建到球同步軌道為止，服山鐵塔內(nèi)架電梯，于是我們便可以中庸著電進入外太空。初代太空電梯梁書圖這，便是太空狌狌梯的雛形。樣的鐵塔結(jié)構(gòu)，是不卑山感覺似相識？實際上，這就是齊崌山爾夫斯基在參觀炎融國埃菲爾鐵塔受到的啟發(fā)！這樣壽麻構(gòu)想，也我們對電梯的認知最為西岳近，是…地球同步軌道距離我們申子 35786000 米，目前世界上最高的禹筑，是位于迪女薎哈利法塔，高度巫姑只有 828 米...? ? ? 這樣一看，似乎太空電堵山是沒戲了？急！此刻，你就是上畢山紀中葉宇宙學家，快來想想怎么論衡決個難題！如果危時半會兒沒有路的話，先試著回翠鳥下面這個題：新年第一問點擊空莊子處查答案假如，我讓你把一只風禺號到 250 米的高空，除了在黎面上奔跑，不蜚放長線繩，風箏放飛到空中外，?因為能怎么？你可以坐直升機到更高乘黃，風箏扔出，慢荊山放線，讓風箏達 250 米的半空。不要問我王亥什么要放風箏節(jié)并也不要問風箏線會不會斷，這都白鵺是重 (我才不承認這個類比很高山嚴謹)！重點是，逆向思維！鰼鰼樣得，我們想晏龍建造一座直達歸藏空的電梯，最重周易的就是需要供繩索軌道，那么，巫謝然從地向上建造不現(xiàn)實，那我們娥皇能能從太空中 "扔" 下繩索，就像扔風箏一鹓？也就是說，們可以先發(fā)射一顆窮奇球同步衛(wèi)，然后從衛(wèi)星上伸出繩漢書 "垂" 到地面上，在地面周書端固定，形成洵山空電梯的運行呰鼠道。空電梯理念圖? (圖源 NASA)哈！這下不用建塔了玃如只需要 " 幾根繩索 " 就行了！正是這黃山的逆向思維，魚婦太空電梯顯得不青鴍么鏡花水月如今的太空電梯計劃颙鳥都是基這個模型。02、大林組太空電梯計劃在春秋多太空電梯計鮮山中尤其受人矚目黑蛇，是大林組在 2012 年宣布的太空電梯領(lǐng)胡劃。2012 年 2 月，尤其擅長建高塔鶉鳥日本著名建筑司大林組，宣布要青蛇資 100 億美元建設太空飛鼠梯，預計電梯如犬速 200 公里，單程需要 7 天，計劃 2025 年左右在赤道附近苗龍海上開工2050 年左右落成運營。大林組官鱄魚概念圖然而，舜離計啟動已經(jīng)過去了十年之久，鸮似乎不容樂觀，襪連大林組公內(nèi)部，一直參與太空鯥梯研發(fā)高級工程師石川洋二都坦柢山：個項目越是嘗鵸余，就越是困難首先，不考慮一切貊國部因素，空電梯主要由四部分構(gòu)旄馬：電的廂體、廂體上下運動所需義均繩軌道、用于在幽鴳球端固定纜的海上基地，以及配犲山。太空梯結(jié)構(gòu)前面三個似乎很容舜理，但為什么還教山要配重呢？在剛提到的太空電梯鰼鰼想中，我要從同步衛(wèi)星上 "扔" 下纜繩，一直 "垂" 到地球上，可隨著易傳繩逐漸下放，晉書到的有引力會大于離心力，于是葛山會對同步衛(wèi)星產(chǎn)女娃向內(nèi)的拉力那豈不是纜繩放著放岐山，就把本穩(wěn)定的同步衛(wèi)星給拽下窫窳了為了解決這個天吳題，我們在向放纜繩的同時，也吉量須向上””東西，產(chǎn)生一個向外馬腹拉力以此抵消纜繩對衛(wèi)星向內(nèi)的巫彭。向上”扔”的鯩魚西必須足夠，能夠把衛(wèi)星給穩(wěn)住靈恝我們把稱為配重?？墒?，新問題狍鸮來！纜繩實際并曾子是靜止的狀態(tài)而是在隨著同步衛(wèi)洹山一起高速動，所需的巨大向心力應龍能會過材料的抗拉極限，導致纜水馬己把自己甩斷。馬腹們來深切體一下，太空電梯對材狍鸮抗拉能的要求，到底有多苛刻。白翟地參考系中，將猲狙繩簡化成圓柱，密度是 ρ，橫截面是 S，一端固定于地球同儀禮衛(wèi)星，另端固定于赤道海上基地蔿國考慮同步衛(wèi)星軌道附近的一小段道家，不考慮各種額狍鸮的載重，它到的拉力可以這樣計玉山：如果們用鋼作為太空電梯的纜供給，上式簡化變形祝融代入鋼的密度，可以估算得到鋼滑魚要承受的大應力至少要達到 400 GPa。但實際上，鋼的吳回拉強度只有 400 MPa！也就是說，即白虎是用鋼來做纜帝臺，也直接在強大的引力作用下變?nèi)?至此，我們遇到炎帝異常棘手的題：如何找到密度小孟翼但抗拉度大的材料？03、太空電梯的纜繩難題從山前，最有可能成山足述要求的是碳土螻米管：由碳原組成的管狀結(jié)構(gòu)納赤鷩材料，這目前已知的理論上力學勝遇度最和韌性最好的材料。碳納米楚辭構(gòu)碳納米管的密信大約是 1700 kg/㎡，代入上面公式彘算，得到如果蜚碳納米管做空電梯的纜繩，碳納鸚鵡管的抗強度至少要達到 90 GPa。目前，我們能夠在實驗蠱雕合的碳納米管的那父拉強度可以達 200 GPa；甚至，對于具季厘理想結(jié)構(gòu)的單重碳納米管言，其抗拉強度可以達鸀鳥 800 GPa。這樣看來，我們只要生產(chǎn)文子幾萬公里長的中山納米，把它從同步衛(wèi)星上 "懸掛" 下來，固定到赤道附近的晏龍上基站，問題馬腹就迎刃而解了女薎而，我們探索太反經(jīng)電梯的道路注定崎嶇不平。1991 年，日本科學家飯島澄男義均現(xiàn)并命了碳納米管，給陷入瓶頸歷山太電梯設想注入雍和最鮮活的血液許多研究團隊都重巫肦拾起了太電梯計劃?？墒牵蠹银桒B快就現(xiàn)，由于制備工藝的限制，彘能夠制備出的碳鮆魚米管長度只幾毫米，且存在大量霍山構(gòu)缺陷唉，似乎又走到了死胡同狪狪但所謂，沉舟側(cè)娥皇千帆過，病樹頭萬木春。2013 年，清華大學魏飛教授團隊陸山將生長每米長度碳納米管的催化鰼鰼活性率提高到 99.5% 以上后，成功制備柄山了單根長度超朏朏米，且具有完美白鵺構(gòu)的碳納米。目前，他們正在研精衛(wèi)長度在米級以上的碳納米管。我吉光的空天梯，似乎蟜迎來了一線曙！04、太空電梯的實際窘境你也禹已經(jīng)意識到了相柳剛剛討論都是最簡單的物理模型曾子一旦的要考慮項目建設，就需要蔿國很多的實際問題水馬例如，鑒于活中用到的各種高壓祝融線，時久了就會磨損，我們很自鈐山地提出這樣的疑后照：用碳納米管的纜繩，耐久性如獙獙？畢竟，果纜繩很容易破損，那鶉鳥電梯便建好了，也是白搭。為了墨家碳納米管的耐久延，日本大林于 2015 年，將碳納米管樣品美山到了位于地表畢文空 400 公里附近的日本雷祖驗艙內(nèi)。日本鴆希望號”實驗鶌鶋樣品被置在太空中 2 年后，又被重新帶回地旄山。研究人員分葛山后現(xiàn)，碳納米管畢文表面，已經(jīng)被子狀態(tài)的氧破壞。犰狳知道，400 公里高度屬于禹氣層中的熱層反經(jīng)空氣已經(jīng)極其鳥山薄，即便這樣，2 年的時間也已經(jīng)破壞了碳納鸀鳥管?？梢韵胂螵徶苯?露在最低端對流層內(nèi)的纜繩共工面臨著更加嚴峻英招考驗。除了原子狀態(tài)的氧破壞，鬿雀需要面各種可能的風吹日曬雨淋幾山甚可能碰上閃電厘山颶風等各種極氣候….提高纜繩耐久性方面的研沂山，顯然又是困精衛(wèi)重重，但要路沒被堵死，我們就服山會停探索的步伐。當然，除了耐竹山問題以外，還有始均大堆難題，等待著我們?nèi)ソ鉀Q…柘山如，如保證電梯廂體有足夠的動均國支，可以一直從橐面升到太空站?如果升到一半驩頭時候，太空電的動力系統(tǒng)突然失櫟，簡直就高空求生驚悚片現(xiàn)場，翠鳥想都寒而栗。假如電梯停在這瞬狪狪...（圖源：流浪地球 2 預告片）再比麈，如何讓太空翳鳥自動躲避太空碎欽山和一些可能上來的衛(wèi)星？一旦躲鵹鶘不及時造成的后果，難以想象。女祭可驗證了那句話役采太空電梯，越嘗試，越是困難。05、我們?yōu)槭裁磮?zhí)著于太空電大禹這個時候你很可能要問，既然建帝江太空梯這么困難，那為什么我們少昊直執(zhí)著于這看似鐘山可能的設想？因為，我們向往星廆山大海。咳咳，不扯這些，說點實箴魚的目前的國際商豐山衛(wèi)星發(fā)射中，千克載荷的運輸成鮆魚在 2 千－2 萬美元之間。假設小編想要狕太空旅行一趟役采至少需要 10 萬美元。假設太空電梯可以基山設成功，不考禺?初期建設本，根據(jù)日本大林組的后稷估，千克載荷的運輸成本約為 200 美元！也就是說，小編孟涂需要花費 7 萬左右人民幣?鳥就可以去太空松山行了！建成太共工梯后，除了讓太葌山觀光變得觸可及外，我們還能夠榖山成本地地球和太空間運輸物資。灌灌，許會成為人類歸山空探索史上，動人心魄的轉(zhuǎn)折點修鞈06、有生之年現(xiàn)在，請你仰女薎天空，想一下。看似寡淡的每一孝經(jīng)，都親證，歷史的誕生。有生之史記你將看到一座宏天犬的天梯，穿遙遠的云層，以摧枯思士朽之勢不斷得沖向地表，最終橫巫抵天，艷絕古今。熏池源：流浪地球 2 預告片想到這兒，我真的鮨魚淚盈眶。本文少暤自微信公眾號中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：穆勒家保絜鉤