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電影《流浪地 2》中的太空電梯“女士們先生們，太空梯即將達到失空間站，請做準備，從右側(cè)門下梯?！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，有一天你將親聽見這樣的播聲，你相信嗎01、太空電梯從何而來20 世紀初，被譽“航天之父“俄國科學家康坦丁?齊奧爾夫斯基提出過大構(gòu)想：用液作為火箭燃料宇宙空間中反用力是移動的一方法；將兩以上的火箭串起來，組成一多級火箭以提火箭的速度。一百多年后的天，這些設想都已經(jīng)成為了天領(lǐng)域的重要用?？邓固苟?齊奧爾科夫斯然而，他在 1895 年提出的一個設想，至今仍未實現(xiàn)這個設想，其很樸素：他提在地面上建設座超高高高的塔，一直建到球同步軌道為，在鐵塔內(nèi)架電梯，于是我便可以搭著電進入外太空。代太空電梯概圖這，便是太電梯的雛形。樣的鐵塔結(jié)構(gòu)是不是感覺似相識？實際上這就是齊奧爾夫斯基在參觀國埃菲爾鐵塔受到的啟發(fā)！樣的構(gòu)想，也我們對電梯的知最為接近，是…地球同步道距離我們有 35786000 米，目前世界上最高的建，是位于迪拜哈利法塔，高卻只有 828 米...? ? ? 這樣一看，似乎太空梯是沒戲了？急！此刻，你是上世紀中葉宇宙學家，快想想怎么解決個難題！如果時半會兒沒有路的話，先試回答下面這個題：新年第一點擊空白處查答案假如，我你把一只風箏到 250 米的高空，除了地面上奔跑，斷放長線繩，風箏放飛到空外，還能怎么？你可以坐直機到更高空，風箏扔出，慢放線，讓風箏達 250 米的半空。不要我為什么要放箏，也不要問風箏線會不會，這都不是重 (我才不承認這個類比很不謹)！重點是，逆向思維饒山同得，我們想要造一座直達外空的電梯，最要的就是需要供繩索軌道，么，既然從地向上建造不現(xiàn)，那我們…能能從太空中 "扔" 下繩索，就像扔風箏一？也就是說，們可以先發(fā)射顆地球同步衛(wèi)，然后從衛(wèi)星伸出繩索 "垂" 到地面上，在地面一端固，形成太空電的運行軌道。空電梯理念? (圖源 NASA)哈！這下不用建塔了，需要 " 幾根繩索 " 就行了！正是這樣逆向思維，使太空電梯顯得那么鏡花水月如今的太空電計劃，都是基這個模型。02、大林組太空梯計劃在眾多空電梯計劃中尤其受人矚目，是大林組在 2012 年宣布的太空電梯劃。2012 年 2 月，尤其擅長建高塔日本著名建筑司大林組，宣要投資 100 億美元建設太空電梯瞿如預計梯時速 200 公里，單程需要 7 天，計劃 2025 年左右在赤道近的海上開工2050 年左右落成運營。林組官網(wǎng)概念然而，距離計啟動已經(jīng)過去十年之久，前似乎不容樂觀就連大林組公內(nèi)部，一直參太空電梯研發(fā)高級工程師石洋二都坦言：個項目越是嘗，就越是困難首先，不考慮切外部因素，空電梯主要由部分構(gòu)成：電的廂體、廂體下運動所需的繩軌道、用于地球端固定纜的海上基地，及配重。太空梯結(jié)構(gòu)前面三似乎很容易理，但為什么還要配重呢？在剛提到的太空梯設想中，我要從同步衛(wèi)星 "扔" 下纜繩，一直 "垂" 到地球上，可隨著纜繩逐下放，受到的有引力會大于心力，于是纜會對同步衛(wèi)星生向內(nèi)的拉力那豈不是纜繩著放著，就把本穩(wěn)定的同步星給拽下來了為了解決這個題，我們在向放纜繩的同時也必須向上””東西，產(chǎn)生個向外的拉力以此抵消纜繩衛(wèi)星向內(nèi)的拉。向上”扔”東西必須足夠，能夠把衛(wèi)星穩(wěn)住，我們把稱為配重?？?，新問題又來！纜繩實際并是靜止的狀態(tài)而是在隨著同衛(wèi)星一起高速動，所需的巨向心力可能會過材料的抗拉限，導致纜繩己把自己甩斷我們來深切體一下，太空電對材料抗拉能的要求，到底多苛刻。在地參考系中，將繩簡化成圓柱，密度是 ρ，橫截面是 S，一端固定于地同步衛(wèi)星，另端固定于赤道上基地?？紤]同步衛(wèi)星軌道近的一小段纜，不考慮各種外的載重，它到的拉力可以樣計算：如果們用鋼作為太電梯的纜繩，上式簡化變形代入鋼的密度，可以估算得鋼需要承受的大應力至少要到 400 GPa。但實際上，鋼的抗拉強只有 400 MPa！也就是說，即便是用來做纜繩，也直接在強大的力作用下變形至此，我們遇了異常棘手的題：如何找到度小，但抗拉度大的材料？03、太空電梯的纜繩難題目前最有可能滿足述要求的是碳米管：由碳原組成的管狀結(jié)納米材料，這目前已知的理上力學強度最和韌性最好的料。碳納米管構(gòu)碳納米管的度大約是 1700 kg/㎡，代入上面公計算，得到如用碳納米管做空電梯的纜繩碳納米管的抗強度至少要達 90 GPa。目前，我們夠在實驗中合的碳納米管的拉強度可以達 200 GPa；甚至，對于具有理想結(jié)構(gòu)單壁碳納米管言，其抗拉強可以達到 800 GPa。這樣看來，我們要生產(chǎn)出幾萬里長的碳納米，把它從同步星上 "懸掛" 下來，固定到赤道附近的王亥基站，問題不迎刃而解了！而，我們探索空電梯的道路注定崎嶇不平1991 年，日本科學家飯澄男發(fā)現(xiàn)并命了碳納米管，陷入瓶頸的太電梯設想注入最鮮活的血液許多研究團隊重新拾起了太電梯計劃。可，大家很快就現(xiàn)，由于制備藝的限制，實能夠制備出的納米管長度只幾毫米，且存大量結(jié)構(gòu)缺陷唉，似乎又走了死胡同…但所謂，沉舟側(cè)千帆過，病樹頭萬木春。2013 年，清華大學魏飛教授隊，將生長每米長度碳納米的催化劑活性率提高到 99.5% 以上后，成功制備出單根長度超過米，且具有完結(jié)構(gòu)的碳納米。目前，他們在研制長度在米級以上的碳米管。我們的空天梯，似乎迎來了一線曙！04、太空電梯的實際窘境也許已經(jīng)意識了，剛剛討論都是最簡單的理模型，一旦的要考慮項目設，就需要解很多的實際問。例如，鑒于活中用到的各高壓電線，時久了就會磨損我們很自然地提出這樣的疑：用碳納米管的纜繩，耐久如何？畢竟，果纜繩很容易損，那這電梯便建好了，也白搭。為了檢碳納米管的耐性，日本大林于 2015 年，將碳納米樣品送到了位地表上空 400 公里附近的日本實驗艙內(nèi)日本“希望號實驗艙樣品被置在太空中 2 年后，又被重新帶回地球。究人員分析后現(xiàn)，碳納米管表面，已經(jīng)被子狀態(tài)的氧破。要知道，400 公里高度屬于大氣層中的層，空氣已經(jīng)其稀薄，即便這樣，2 年的時間也已經(jīng)破了碳納米管。以想象，直接露在最低端對層內(nèi)的纜繩，面臨著更加嚴的考驗。除了原子狀態(tài)的氧壞，還需要面各種可能的風日曬雨淋，甚可能碰上閃電颶風等各種極氣候….提高纜繩耐久性方面研究，顯然又困難重重，但要路沒被堵死我們就不會停探索的步伐。然，除了耐久問題以外，還一大堆難題，等待著我們?nèi)?決…例如，如保證電梯廂體足夠的動力支，可以一直從面升到太空站?如果升到一半時候，太空電的動力系統(tǒng)突失靈，簡直就高空求生驚悚現(xiàn)場，想想都寒而栗。假如梯停在這瞬間...（圖源：流浪地球 2 預告片）再比如如何讓太空電自動躲避太空片和一些可能上來的衛(wèi)星？旦躲避不及時造成的后果，以想象。真可驗證了那句話太空電梯，越嘗試，越是困。05、我們?yōu)槭裁磮?zhí)著于太電梯這個時候你很可能要問既然建造太空梯這么困難，為什么我們還直執(zhí)著于這看不可能的設想？因為，我們往星辰大海。咳咳，不扯這，說點實際的目前的國際商衛(wèi)星發(fā)射中，千克載荷的運成本在 2 千－2 萬美元之間。假設小編要去太空旅行趟，至少需要 10 萬美元。假設太空電葆江以建設成功，考慮初期建設本，根據(jù)日本林組的預估，千克載荷的運成本約為 200 美元！也就是說，小編只要花費 7 萬左右人民幣，可以去太空旅了！建成太空梯后，除了讓空觀光變得觸可及外，我們能夠低成本地地球和太空間輸物資。這，許會成為人類空探索史上，動人心魄的轉(zhuǎn)點！06、有生之年現(xiàn)在，請仰望天空，想一下。看似寡的每一秒，都親證，歷史的生。有生之年你將看到一座大的天梯，穿遙遠的云層，摧枯拉朽之勢不斷得沖向地，最終橫貫天，艷絕古今。源：流浪地球 2 預告片想到這兒，我真魚婦淚盈眶。本文自微信公眾號中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：穆勒家保