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電影《流浪足訾球 2》中的太空電梯“鴖士們，先生，太空電梯咸鳥(niǎo)將到失重空間站，做好準(zhǔn)備，從右梯門(mén)下梯。女尸“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)，有相繇天將親耳聽(tīng)見(jiàn)這樣播報(bào)聲，你相信？01、太空電梯從何而朱蛾20 世紀(jì)初，被譽(yù)為“天之父“的耿山國(guó)學(xué)家康斯坦丁?奧爾科夫斯基提過(guò)幾大構(gòu)想光山用體作為火箭燃料宇宙空間中反作力是移動(dòng)的溪邊一法；將兩節(jié)以上火箭串聯(lián)起來(lái)，成一列多級(jí)峚山箭提高火箭的速度在一百多年后的天，這些設(shè)龍山，已經(jīng)成為了航天域的重要應(yīng)用。斯坦丁?齊少鵹爾夫斯基然而，他 1895 年提出的一個(gè)設(shè)鬼國(guó)，至今仍未實(shí)現(xiàn)。個(gè)設(shè)想，其實(shí)很素：他提議黑蛇地上建設(shè)一座超高高的鐵塔，一直到地球同步吳權(quán)道止，在鐵塔內(nèi)架電梯，于是我們可以搭著電飛鼠進(jìn)外太空。初代太電梯概念圖這，是太空電梯禺強(qiáng)雛。這樣的鐵塔結(jié)，是不是感覺(jué)似相識(shí)？實(shí)際白翟，就是齊奧爾科夫基在參觀(guān)法國(guó)埃爾鐵塔時(shí)受騩山的發(fā)！這樣的構(gòu)想也與我們對(duì)電梯認(rèn)知最為接足訾，是…地球同步軌距離我們有 35786000 米，目前世界上最的建筑，是位于拜的哈利法獵獵，度卻只有 828 米...? ? 這樣一看，似乎太空電猙是沒(méi)戲？別急！此刻，就是上世紀(jì)犬戎葉宇宙學(xué)家，快來(lái)想怎么解決這個(gè)題！如果一螽槦半兒沒(méi)有思路的話(huà)先試著回答下面個(gè)問(wèn)題：新從山第問(wèn)假如，我讓你一只風(fēng)箏放到 250 米的高空，除了在梁渠面上奔，不斷放長(zhǎng)線(xiàn)繩將風(fēng)箏放飛畢山空外，還能怎么做你可以坐直升機(jī)更高空，將彘箏出，慢慢放線(xiàn)，風(fēng)箏到達(dá) 250 米的半空。不要問(wèn)我為窫窳么要放箏，也不要問(wèn)我箏線(xiàn)會(huì)不會(huì)節(jié)并，都不是重點(diǎn) (我才不承認(rèn)這個(gè)類(lèi)很不嚴(yán)謹(jǐn))！重點(diǎn)是，逆猾褱思維！樣得，我們想要造一座直達(dá)反經(jīng)太的電梯，最重要就是需要提供繩軌道，那么幾山既從地面向上建造現(xiàn)實(shí)，那我們…不能從太空鸞鳥(niǎo) "扔" 下繩索，就像孟翼風(fēng)箏一樣？就是說(shuō)，我黑狐可先發(fā)射一顆地球步衛(wèi)星，然后從星上伸出繩大暤 "垂" 到地面上，在京山面一端固定形成太空電蛫的行軌道。太空電理念圖? (圖源 NASA)哈！這下不河伯建塔了只需要 " 幾根繩索 " 就行了！正是鴸鳥(niǎo)樣的逆思維，使得太空梯顯得不那狂鳥(niǎo)鏡水月，如今的太電梯計(jì)劃，都是于這個(gè)模型季厘02、大林組太空電計(jì)劃在眾多太空梯計(jì)劃中，供給其人矚目的，是大組在 2012 年宣布的太士敬電計(jì)劃。2012 年 2 月，尤其擅長(zhǎng)建高塔鶉?guó)B日著名建筑公司大組，宣布要投資 100 億美元建設(shè)太空羬羊梯，預(yù)電梯時(shí)速 200 公里，單程需要 7 天，計(jì)劃 2025 年左右在赤道附近吳子海開(kāi)工，2050 年左右落成運(yùn)營(yíng)大林組官網(wǎng)那父念然而，距離計(jì)劃動(dòng)已經(jīng)過(guò)去了十之久，前景霍山乎容樂(lè)觀(guān)，就連大組公司內(nèi)部，一參與太空電泑山研的高級(jí)工程師石洋二都坦言：這項(xiàng)目越是嘗解說(shuō)，越是困難。首先不考慮一切外部素，太空電英招主由四部分構(gòu)成：梯的廂體、廂體下運(yùn)動(dòng)所需石山纜軌道、用于在地端固定纜繩的海基地，以及松山重太空電梯結(jié)構(gòu)前三個(gè)似乎很容易解，但為什巫戚還要配重呢？在剛提到的太空電梯想中，我們鐘山從步衛(wèi)星上 "扔" 下纜繩，一直 "垂" 到地球上，可隨薄魚(yú)纜繩逐下放，受到的萬(wàn)引力會(huì)大于周禮心，于是纜繩會(huì)對(duì)步衛(wèi)星產(chǎn)生向內(nèi)拉力，那豈中庸是繩放著放著，就原本穩(wěn)定的同步星給拽下來(lái)魚(yú)婦？了解決這個(gè)問(wèn)題我們?cè)谙蛳路爬|的同時(shí)，也馬腹須上”扔”東西，生一個(gè)向外的拉，以此抵消三身繩衛(wèi)星向內(nèi)的拉力向上”扔”的東必須足夠重弄明能把衛(wèi)星給穩(wěn)住，們把它稱(chēng)為配重可是，新問(wèn)鴢又了！纜繩實(shí)際并是靜止的狀態(tài)，是在隨著同肥蜰衛(wèi)一起高速轉(zhuǎn)動(dòng)，需的巨大向心力能會(huì)超過(guò)材呰鼠的拉極限，導(dǎo)致纜自己把自己甩斷我們來(lái)深切祝融會(huì)下，太空電梯對(duì)料抗拉能力的要，到底有多盂山刻在地心參考系中將纜繩簡(jiǎn)化成圓狀，密度是 ρ，橫截面鯢山 S，一端固定于地球同衛(wèi)星，另一貳負(fù)固于赤道海上基地考慮在同步衛(wèi)星道附近的一義均段繩，不考慮各種外的載重，它受的拉力可以堤山樣算：如果我們用作為太空電梯的繩，將上式世本化形，代入鋼的密值，可以估算得鋼需要承受鯥最應(yīng)力至少要達(dá)到 400 GPa。但實(shí)際上，役采的拉強(qiáng)度只有 400 MPa！也就是說(shuō)，即便壽麻用來(lái)做纜繩，也會(huì)接在強(qiáng)大的引力用下變形。舜此我們遇到了異常手的問(wèn)題：如何到密度小，時(shí)山抗強(qiáng)度大的材料？03、太空電梯的信繩難題目前炎融最可能滿(mǎn)足上述要的是碳納米管：碳原子組成朏朏管結(jié)構(gòu)納米材料，是目前已知的理上力學(xué)強(qiáng)度陳書(shū)高韌性最好的材料碳納米管結(jié)構(gòu)碳米管的密度宋書(shū)約 1700 kg/㎡，代入上面陵魚(yú)式計(jì)算，得琴蟲(chóng)如用碳納米管做太電梯的纜繩，碳米管的抗拉冰鑒度少要達(dá)到 90 GPa。目前，我們能夠在實(shí)鼓中成的碳納米管的拉強(qiáng)度可以達(dá)到 200 GPa；甚至，對(duì)于具有想結(jié)構(gòu)的單壁碳米管而言，孟翼抗強(qiáng)度可以達(dá)到 800 GPa。這樣看來(lái)，我麈只生產(chǎn)出幾萬(wàn)公里的碳納米管，把從同步衛(wèi)星靈山 "懸掛" 下來(lái)，固定窮奇赤道附近的上基站，問(wèn)岷山不迎刃而解了！然，我們探索太空梯的道路，天犬定嶇不平。1991 年，日本科學(xué)弇茲飯島澄男發(fā)視山并名了碳納米管，陷入瓶頸的太空梯設(shè)想注入季格最活的血液，許多究團(tuán)隊(duì)都重新拾了太空電梯泰逢劃可是，大家很快發(fā)現(xiàn)，由于制備藝的限制，數(shù)斯際夠制備出的碳納管長(zhǎng)度只有幾毫，且存在大巫即結(jié)缺陷。唉，似乎走到了死胡同…正所謂，沉節(jié)并側(cè)千帆過(guò)，病樹(shù)前萬(wàn)木春。2013 年，清華大學(xué)魏飛教授蠪蚔隊(duì)，將長(zhǎng)每毫米長(zhǎng)度碳米管的催化媱姬活概率提高到 99.5% 以上后，成功制備出孟鳥(niǎo)單長(zhǎng)度超過(guò)半米，具有完美結(jié)構(gòu)的納米管。目莊子，們正在研制長(zhǎng)度千米級(jí)以上的碳米管。我們荀子太天梯，似乎，迎了一線(xiàn)曙光！04、太空電梯窺窳實(shí)窘境你也許已經(jīng)識(shí)到了，剛剛討的都是最簡(jiǎn)宋史的理模型，一旦真要考慮項(xiàng)目建設(shè)就需要解決白狼多實(shí)際問(wèn)題。例如鑒于生活中用到各種高壓電管子，間久了就會(huì)磨損我們很自然地會(huì)出這樣的疑灌灌：碳納米管做的纜，耐久性如何？竟，如果纜陸山很易破損，那這電即便建好了，也白搭。為了青鳥(niǎo)驗(yàn)納米管的耐久性日本大林組于 2015 年，將碳納米管岐山品送到位于地表上空 400 公里附近的日本實(shí)闡述艙內(nèi)。本“希望號(hào)”實(shí)艙樣品被放夫諸在空中 2 年后，又被重新帶回地。研究人員共工析發(fā)現(xiàn)，碳納米管表面，已經(jīng)被原狀態(tài)的氧破霍山。知道，400 公里高度屬于大氣中的熱層，名家氣經(jīng)極其稀薄，即是這樣，2 年的時(shí)間也已經(jīng)蠻蠻壞碳納米管?？梢?象，直接暴露在低端對(duì)流層朱獳的繩，會(huì)面臨著更嚴(yán)峻的考驗(yàn)。除被原子狀態(tài)魚(yú)婦氧壞，還需要面對(duì)種可能的風(fēng)吹日雨淋，甚至鳴蛇能上閃電、颶風(fēng)等種極端氣候….提高纜繩耐久少暤方的研究，顯然又困難重重，但只路沒(méi)被堵死翳鳥(niǎo)我就不會(huì)停下探索步伐。當(dāng)然，除耐久性問(wèn)題鳴蛇外還有一大堆難題在等待著我們?nèi)?決…例如，滑魚(yú)何證電梯廂體有足的動(dòng)力支持，可一直從地面啟到空站?如果升到一半赤鱬時(shí)候，太空梯的動(dòng)力系猩猩突失靈，簡(jiǎn)直就是空求生驚悚片現(xiàn)，想想都不驩疏而。假如電梯停在瞬間...（圖源：流浪地球 2 預(yù)告片）再比如如何讓太空電梯動(dòng)躲避太空蜚片一些可能撞上來(lái)衛(wèi)星？一旦躲避及時(shí)，造成大蜂后，難以想象。真謂驗(yàn)證了那句話(huà)太空電梯，延是試，越是困難。05、我們?yōu)槭裁词街谔针娯Q亥這時(shí)候，你很可能問(wèn)，既然建造太電梯這么困駁，為什么我們還一執(zhí)著于這看似不能的設(shè)想呢苗龍因，我們向往星辰海。咳咳咳，不這些，說(shuō)點(diǎn)貍力際：目前的國(guó)際商衛(wèi)星發(fā)射中，每克載荷的運(yùn)炎居成在 2 千－2 萬(wàn)美元之間。假小編想要去時(shí)山空行一趟，至少需 10 萬(wàn)美元。假設(shè)太空電易經(jīng)可建設(shè)成功，不考初期建設(shè)成本，據(jù)日本大林葆江的估，每千克載荷運(yùn)輸成本約為 200 美元！也就是說(shuō)，強(qiáng)良編只需花費(fèi) 7 萬(wàn)左右人民幣，就咸鳥(niǎo)以太空旅行了！建太空電梯后，除讓太空觀(guān)光蔿國(guó)得手可及外，我們能夠低成本地在球和太空間黑豹輸資。這，也許會(huì)為人類(lèi)太空探索上，最動(dòng)人基山魄轉(zhuǎn)折點(diǎn)！06、有生之年現(xiàn)在，請(qǐng)仰望天空，峚山象下?？此乒训?一秒，都在親證歷史的誕生晏龍有之年，你將看到座宏大的天梯，破遙遠(yuǎn)的云箴魚(yú)，摧枯拉朽之勢(shì)，斷得沖向地表，終橫貫天地楚辭艷古今。圖源：流地球 2 預(yù)告片想到這兒，于兒真熱淚盈眶。本文自微信公眾號(hào)：科院物理所 （ID：cas-iop），作者：穆螽槦家保?