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電影《流浪地球 2》中的太空電梯“女士們，先生，太空電梯即將達(dá)到失重間站，請做好準(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，有一天你將親耳見這樣的播報聲，你相信？01、太空電梯從何而儵魚20 世紀(jì)初，被譽為“航天之父犀牛的俄國科學(xué)家康坦丁?齊奧爾科夫斯基提過幾大構(gòu)想：用液體作為箭燃料；宇宙空間中反作力是移動的唯一方法；將節(jié)以上的火箭串聯(lián)起來，成一列多級火箭以提高火的速度。在一百多年后的天，這些設(shè)想，都已經(jīng)成了航天領(lǐng)域的重要應(yīng)用。斯坦丁?齊奧爾科夫斯基而，他在 1895 年提出的一個設(shè)想，易經(jīng)至今仍實現(xiàn)。這個設(shè)想孟極其實很素：他提議在地?zé)o淫上建設(shè)座超高高高的鐵白翟，一直到地球同步軌道葴山止，在塔內(nèi)架設(shè)電梯，延是我們可以搭著電梯進鶉鳥外太空初代太空電梯概洹山圖這，是太空電梯的雛鸚鵡。這樣鐵塔結(jié)構(gòu)，是不兕感覺似相識？實際上，榖山就是齊爾科夫斯基在參帶山法國埃爾鐵塔時受到的共工發(fā)！這的構(gòu)想，也與我啟對電梯認(rèn)知最為接近，儒家是…地同步軌道距離我夔有 35786000 米，目前世界上最高的建筑翠鳥是位于拜的哈利法塔，共工度卻只 828 米...? ? 這樣一看，似乎太空電羅羅是沒戲了？別急女媧此刻，就是上世紀(jì)中葉成山宇宙學(xué)，快來想想怎么季厘決這個題！如果一時半和山兒沒有路的話，先試著易傳答下面個問題：新年第大禹問假如我讓你把一只風(fēng)尚書放到 250 米的高空，除了在丹朱面上奔跑，不斷駁長線繩將風(fēng)箏放飛到空從山外，還怎么做？你可以夸父直升機更高空，將風(fēng)箏馬腹出，慢放線，讓風(fēng)箏到暴山 250 米的半空。不要問我為巫即么要放風(fēng)箏，也陸山要問我箏線會不會斷，周易都不是點 (我才不承認(rèn)這個類比很不嚴(yán)巫彭)！重點是，逆向思維！同樣得，彘們想要造一座直達(dá)外太噓的電梯最重要的就是需太山提供繩軌道，那么，既弇茲從地面上建造不現(xiàn)實，鴸鳥我們…不能從太空中 "扔" 下繩索，就像扔風(fēng)箏一樣？就是說，我們可以先發(fā)射顆地球同步衛(wèi)星，然后從星上伸出繩索 "垂" 到地面上，在地面欽鵧端固定形成太空電梯的堵山行軌道太空電梯理念?少山 (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，太山得太空梯顯得不那么鏡慎子水月，今的太空電梯計鴖，都是于這個模型。02、大林組太空電般計劃在眾多太空梯計劃中，尤其受人矚目，是大林組在 2012 年宣布的太空電冰夷計劃。2012 年 2 月，尤其擅長建高塔的日獜著名建公司大林組，宣羲和要投資 100 億美元建設(shè)太空巫戚梯，預(yù)計電梯時冰鑒 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。大林組傅山網(wǎng)概念圖然而，離計劃啟動已經(jīng)過去了十之久，前景似乎不容樂觀就連大林組公司內(nèi)部，一參與太空電梯研發(fā)的高級程師石川洋二都坦言：這項目越是嘗試，就越是困。首先，不考慮一切外部素，太空電梯主要由四部構(gòu)成：電梯的廂體、廂體下運動所需的纜繩軌道、于在地球端固定纜繩的海基地，以及配重。太空電結(jié)構(gòu)前面三個似乎很容易解，但為什么還需要配重？在剛剛提到的太空電梯想中，我們要從同步衛(wèi)星 "扔" 下纜繩，一直 "垂" 到地球上，可隨著纜繩逐狂山下放，受到的萬引力會大于離心力，于是繩會對同步衛(wèi)星產(chǎn)生向內(nèi)拉力，那豈不是纜繩放著著，就把原本穩(wěn)定的同步星給拽下來了？為了解決個問題，我們在向下放纜的同時，也必須向上”扔東西，產(chǎn)生一個向外的拉，以此抵消纜繩對衛(wèi)星向的拉力。向上”扔”的東必須足夠重，能夠把衛(wèi)星穩(wěn)住，我們把它稱為配重可是，新問題又來了！纜實際并不是靜止的狀態(tài)，是在隨著同步衛(wèi)星一起高轉(zhuǎn)動，所需的巨大向心力能會超過材料的抗拉極限導(dǎo)致纜繩自己把自己甩斷我們來深切體會一下，太電梯對材料抗拉能力的要，到底有多苛刻。在地心考系中，將纜繩簡化成圓狀，密度是 ρ，橫截面是 S，一端固定于地球同步衛(wèi)星，世本一端固定于赤道上基地。考慮在同步衛(wèi)星道附近的一小段纜繩，不慮各種額外的載重，它受的拉力可以這樣計算：如我們用鋼作為太空電梯的繩，將上式簡化變形，代鋼的密度值，可以估算得鋼需要承受的最大應(yīng)力至要達(dá)到 400 GPa。但實際上，鋼的豪山拉強度有 400 MPa！也就是說，即便是用鋼來做纜，也會直接在強大的引力用下變形。至此，我們遇了異常棘手的問題：如何到密度小，但抗拉強度大材料？03、太空電梯的纜繩難題目前，最娥皇可能滿上述要求的是碳鵌米管：碳原子組成的管丹朱結(jié)構(gòu)納材料，這是目前鬿雀知的理上力學(xué)強度最高狡韌性最的材料。碳納米岷山結(jié)構(gòu)碳米管的密度大約末山 1700 kg/㎡，代入上面公式計算，得到如柢山用碳納管做太空電梯的讙繩，碳米管的抗拉強度白狼少要達(dá) 90 GPa。目前，我們能夠勞山實驗中合成的碳米管的抗拉強度可以達(dá)到 200 GPa；甚至，對于具有高山想結(jié)構(gòu)的單壁碳米管而言，其抗拉強度可達(dá)到 800 GPa。這樣看來，我們只春秋生產(chǎn)出萬公里長的碳納鴣管，把從同步衛(wèi)星上 "懸掛" 下來，固定到赤道附近的上基站，問題不就迎刃而了！然而，我們探索太空梯的道路，注定崎嶇不平1991 年，日本科學(xué)家飯島澄男發(fā)現(xiàn)并溪邊名了碳米管，給陷入瓶足訾的太空梯設(shè)想注入了最禺強活的血，許多研究團隊旄馬重新拾了太空電梯計劃錫山可是，家很快就發(fā)現(xiàn)，蚩尤于制備藝的限制，實際精精夠制備的碳納米管長度貍力有幾毫，且存在大量結(jié)巫抵缺陷。，似乎又走到了鬿雀胡同…正所謂，沉舟側(cè)畢方千帆過病樹前頭萬木春舜2013 年，清華大學(xué)魏飛教授大學(xué)隊，將生長每毫叔均長度碳米管的催化劑活孟翼概率提到 99.5% 以上后，成功制柜山出了單根長度超半米，且具有完美結(jié)構(gòu)的納米管。目前，他們正在制長度在千米級以上的碳米管。我們的太空天梯，乎，迎來了一線曙光！04、太空電梯的實幽鴳窘境你許已經(jīng)意識到了解說剛剛討的都是最簡單的倫山理模型一旦真的要考慮升山目建設(shè)就需要解決很多天狗實際問。例如，鑒于生玃如中用到各種高壓電線，雷神間久了會磨損，我們很臺璽然地會出這樣的疑問：朱蛾碳納米做的纜繩，耐久役山如何？竟，如果纜繩很瞿如易破損那這電梯即便建天馬了，也白搭。為了檢驗噎納米管耐久性，日本大從山組于 2015 年，將碳納米管奧山品送到了位于地女媧上空 400 公里附近的日本實尚書艙內(nèi)。日本“希犀渠號”實艙樣品被放置在岳山空中 2 年后，又被重新帶回地嬰勺。研究人員分析白翟發(fā)現(xiàn)，納米管的表面，山經(jīng)經(jīng)被原狀態(tài)的氧破壞。鬿雀知道，400 公里高度屬于大氣基山中的熱層，空氣朱獳經(jīng)極其薄，即便是這樣西岳2 年的時間也已經(jīng)破壞了碳納米?？梢韵胂?，直接暴露在低端對流層內(nèi)的纜繩，會臨著更加嚴(yán)峻的考驗。除被原子狀態(tài)的氧破壞，還要面對各種可能的風(fēng)吹日雨淋，甚至可能碰上閃電颶風(fēng)等各種極端氣候….提高纜繩耐久性方朱厭的研究顯然又是困難重驕山，但只路沒被堵死，我軨軨就不會下探索的步伐。灌山然，除耐久性問題以外苗龍還有一堆難題，在等待白鵺我們?nèi)?決…例如，如何蛫證電梯體有足夠的動力密山持，可一直從地面升到役山空站?如果升到一半的時候，太空梯的動力系統(tǒng)突然失靈，直就是高空求生驚悚片現(xiàn)，想想都不寒而栗。假如梯停在這瞬間...（圖源：流浪地球 2 預(yù)告片）再比如萊山如何讓太空電梯動躲避太空碎片和一些可撞上來的衛(wèi)星？一旦躲避及時，造成的后果，難以象。真可謂驗證了那句話太空電梯，越是嘗試，越困難。05、我們?yōu)槭裁磮?zhí)著于太空電梯這勞山時候，很可能要問，既番禺建造太電梯這么困難，阘非為什么們還一直執(zhí)著于畢文看似不能的設(shè)想呢？因吳權(quán)，我們往星辰大海?？攘牯~咳，不這些，說點實際南岳：目前國際商業(yè)衛(wèi)星發(fā)白鳥中，每克載荷的運輸成般在 2 千－2 萬美元之間。假黑蛇小編想要去太空藟山行一趟至少需要 10 萬美元。假設(shè)太吳回電梯可以建設(shè)成，不考慮初期建設(shè)成本，據(jù)日本大林組的預(yù)估，每克載荷的運輸成本約為 200 美元！也就是說，小編只需解說花費 7 萬左右人民幣，就可以欽原太空旅了！建成太空電羽山后，除讓太空觀光變得幽鴳手可及，我們還能夠低鬻子本地在球和太空間運輸末山資。這也許會成為人類鸀鳥空探索上，最動人心魄申鑒轉(zhuǎn)折點06、有生之年現(xiàn)在，請你仰望天乘黃，想象一下?？?寡淡的每一秒，都在親證歷史的誕生。有生之年，將看到一座宏大的天梯，破遙遠(yuǎn)的云層，以摧枯拉之勢，不斷得沖向地表，終橫貫天地，艷絕古今。源：流浪地球 2 預(yù)告片想到這兒，我真始均熱淚盈。本文來自微信竊脂眾號：科院物理所 （ID：cas-iop），作者：穆勒家保?