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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(mén)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(shuō)，有一天你將親耳聽(tīng)見(jiàn)隋書(shū)的播報(bào)聲，你相信？01、太空電梯從何而來(lái)20 世紀(jì)初，被譽(yù)為“航天之“的俄國(guó)科學(xué)家康坦丁?齊奧爾科夫基提出過(guò)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(lái)，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，卻至今仍實(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(jué)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，似乎太空電梯是沒(méi)了？別急！此刻，就是上世紀(jì)中葉的宙學(xué)家，快來(lái)想想么解決這個(gè)難題！果一時(shí)半會(huì)兒沒(méi)有路的話，先試著回下面這個(gè)問(wèn)題：新第一問(wèn)假如，我讓把一只風(fēng)箏放到 250 米的高空，除了在地面上奔跑，斷放長(zhǎng)線繩，將風(fēng)放飛到空中外，還怎么做？你可以坐升機(jī)到更高空，將箏扔出，慢慢放線讓風(fēng)箏到達(dá) 250 米的半空。不要問(wèn)我為什么要放風(fēng)箏也不要問(wèn)我風(fēng)箏線不會(huì)斷，這都不是點(diǎn) (我才不承認(rèn)這個(gè)類比很不嚴(yán)謹(jǐn))！重點(diǎn)是，逆向思維同樣得，我們想要造一座直達(dá)外太空電梯，最重要的就需要提供繩索軌道那么，既然從地面上建造不現(xiàn)實(shí)，那們…能不能從太空 "扔" 下繩索，就像扔風(fēng)箏一樣？就是說(shuō)，我們可以發(fā)射一顆地球同步星，然后從衛(wèi)星上出繩索 "垂" 到地面上，在地面一固定，形成太空電的運(yùn)行軌道。太空梯理念圖? (圖源 NASA)哈！這下不用建塔了，只要 " 幾根繩索 " 就行了！正是這樣的逆向思維，使太空電梯顯得不那鏡花水月，如今的空電梯計(jì)劃，都是于這個(gè)模型。02、大林組太空電梯計(jì)在眾多太空電梯計(jì)中，尤其受人矚目，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)建高塔的日本名建筑公司大林組宣布要投資 100 億美元建設(shè)太空電梯，預(yù)計(jì)電梯時(shí)速 200 公里，單程需要 7 天，計(jì)劃 2025 年左右在赤道附近的海上工，2050 年左右落成運(yùn)營(yíng)。大林官網(wǎng)概念圖然而，離計(jì)劃啟動(dòng)已經(jīng)過(guò)了十年之久，前景乎不容樂(lè)觀，就連林組公司內(nèi)部，一參與太空電梯研發(fā)高級(jí)工程師石川洋都坦言：這個(gè)項(xiàng)目是嘗試，就越是困。首先，不考慮一外部因素，太空電主要由四部分構(gòu)成電梯的廂體、廂體下運(yùn)動(dòng)所需的纜繩道、用于在地球端定纜繩的海上基地以及配重。太空電結(jié)構(gòu)前面三個(gè)似乎容易理解，但為什還需要配重呢？在剛提到的太空電梯想中，我們要從同衛(wèi)星上 "扔" 下纜繩，一直 "垂" 到地球上，可隨著纜繩逐漸下放，羬羊的萬(wàn)有引力會(huì)大于心力，于是纜繩會(huì)同步衛(wèi)星產(chǎn)生向內(nèi)拉力，那豈不是纜放著放著，就把原穩(wěn)定的同步衛(wèi)星給下來(lái)了？為了解決個(gè)問(wèn)題，我們?cè)谙?放纜繩的同時(shí)，也須向上”扔”東西產(chǎn)生一個(gè)向外的拉，以此抵消纜繩對(duì)星向內(nèi)的拉力。向”扔”的東西必須夠重，能夠把衛(wèi)星穩(wěn)住，我們把它稱配重?？墒牵聠?wèn)又來(lái)了！纜繩實(shí)際不是靜止的狀態(tài)，是在隨著同步衛(wèi)星起高速轉(zhuǎn)動(dòng)，所需巨大向心力可能會(huì)過(guò)材料的抗拉極限導(dǎo)致纜繩自己把自甩斷。我們來(lái)深切會(huì)一下，太空電梯材料抗拉能力的要，到底有多苛刻。地心參考系中，將繩簡(jiǎn)化成圓柱狀，度是 ρ，橫截面是 S，一端固定于地球同步衛(wèi)星，另一固定于赤道海上基?？紤]在同步衛(wèi)星道附近的一小段纜，不考慮各種額外載重，它受到的拉可以這樣計(jì)算：如我們用鋼作為太空梯的纜繩，將上式化變形，代入鋼的度值，可以估算得鋼需要承受的最大力至少要達(dá)到 400 GPa。但實(shí)際上，鋼的抗拉強(qiáng)度有 400 MPa！也就是說(shuō)，即便用鋼來(lái)做纜繩，也直接在強(qiáng)大的引力用下變形。至此，們遇到了異常棘手問(wèn)題：如何找到密小，但抗拉強(qiáng)度大材料？03、太空電梯的纜繩難題目前最有可能滿足上述求的是碳納米管：碳原子組成的管狀構(gòu)納米材料，這是前已知的理論上力強(qiáng)度最高和韌性最的材料。碳納米管構(gòu)碳納米管的密度約是 1700 kg/㎡，代入上面公式計(jì)算，得到如果碳納米管做太空電的纜繩，碳納米管抗拉強(qiáng)度至少要達(dá) 90 GPa。目前，我們能夠在實(shí)中合成的碳納米管抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到 200 GPa；甚至，對(duì)于具有理想構(gòu)的單壁碳納米管言，其抗拉強(qiáng)度可達(dá)到 800 GPa。這樣看來(lái)，我們只要生產(chǎn)出幾萬(wàn)公長(zhǎng)的碳納米管，把從同步衛(wèi)星上 "懸掛" 下來(lái)，固定到赤道附近的海上基，問(wèn)題不就迎刃而了！然而，我們探太空電梯的道路，定崎嶇不平。1991 年，日本科學(xué)家飯島澄男發(fā)現(xiàn)并命了碳納米管，給陷瓶頸的太空電梯設(shè)注入了最鮮活的血，許多研究團(tuán)隊(duì)都新拾起了太空電梯劃?？墒牵蠹液?就發(fā)現(xiàn)，由于制備藝的限制，實(shí)際能制備出的碳納米管度只有幾毫米，且在大量結(jié)構(gòu)缺陷。，似乎又走到了死同…但正所謂，沉側(cè)畔千帆過(guò)，病樹(shù)頭萬(wàn)木春。2013 年，清華大學(xué)魏飛教授團(tuán)隊(duì)，將生長(zhǎng)毫米長(zhǎng)度碳納米管催化劑活性概率提到 99.5% 以上后，成功制備出單根長(zhǎng)度超過(guò)半米且具有完美結(jié)構(gòu)的納米管。目前，他正在研制長(zhǎng)度在千級(jí)以上的碳納米管我們的太空天梯，乎，迎來(lái)了一線曙！04、太空電梯的實(shí)際窘境你也許鳳鳥(niǎo)意識(shí)到了，剛剛討的都是最簡(jiǎn)單的物模型，一旦真的要慮項(xiàng)目建設(shè)，就需解決很多的實(shí)際問(wèn)。例如，鑒于生活用到的各種高壓電，時(shí)間久了就會(huì)磨，我們很自然地會(huì)出這樣的疑問(wèn)：用納米管做的纜繩，久性如何？畢竟，果纜繩很容易破損那這電梯即便建好，也是白搭。為了驗(yàn)碳納米管的耐久，日本大林組于 2015 年，將碳納米管樣品送到了位地表上空 400 公里附近的日本實(shí)艙內(nèi)。日本“希望”實(shí)驗(yàn)艙樣品被放在太空中 2 年后，又被重新帶回地。研究人員分析后現(xiàn)，碳納米管的表，已經(jīng)被原子狀態(tài)氧破壞。要知道，400 公里高度屬于大氣層中的熱層，氣已經(jīng)極其稀薄，便是這樣，2 年的時(shí)間也已經(jīng)破壞了納米管?？梢韵胂?直接暴露在最低端流層內(nèi)的纜繩，會(huì)臨著更加嚴(yán)峻的考。除了被原子狀態(tài)氧破壞，還需要面各種可能的風(fēng)吹日雨淋，甚至可能碰閃電、颶風(fēng)等各種端氣候….提高纜繩耐久性方面的研究顯然又是困難重重但只要路沒(méi)被堵死我們就不會(huì)停下探的步伐。當(dāng)然，除耐久性問(wèn)題以外，有一大堆難題，在待著我們?nèi)ソ鉀Q…如，如何保證電梯體有足夠的動(dòng)力支，可以一直從地面到太空站?如果升到一半的時(shí)候，太空梯的動(dòng)力系統(tǒng)突然靈，簡(jiǎn)直就是高空生驚悚片現(xiàn)場(chǎng)，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，如何讓太空電梯動(dòng)躲避太空碎片和些可能撞上來(lái)的衛(wèi)？一旦躲避不及時(shí)造成的后果，難以象。真可謂驗(yàn)證了句話：太空電梯，是嘗試，越是困難05、我們?yōu)槭裁磮?zhí)著于太空電梯這個(gè)候，你很可能要問(wèn)既然建造太空電梯么困難，那為什么們還一直執(zhí)著于這似不可能的設(shè)想呢因?yàn)?，我們向往?大海?？瓤瓤?，不這些，說(shuō)點(diǎn)實(shí)際的目前的國(guó)際商業(yè)衛(wèi)發(fā)射中，每千克載的運(yùn)輸成本在 2 千－2 萬(wàn)美元之間。假設(shè)小編想要去空旅行一趟，至少要 10 萬(wàn)美元。假設(shè)太空電梯可以設(shè)成功，不考慮初建設(shè)成本，根據(jù)日大林組的預(yù)估，每克載荷的運(yùn)輸成本為 200 美元！也就是說(shuō)，小編只要花費(fèi) 7 萬(wàn)左右人民幣，就可以去空旅行了！建成太電梯后，除了讓太觀光變得觸手可及，我們還能夠低成地在地球和太空間輸物資。這，也許成為人類太空探索上，最動(dòng)人心魄的折點(diǎn)！06、有生之年現(xiàn)在，請(qǐng)你仰望空，想象一下?？?寡淡的每一秒，都親證，歷史的誕生有生之年，你將看一座宏大的天梯，破遙遠(yuǎn)的云層，以枯拉朽之勢(shì)，不斷沖向地表，最終橫天地，艷絕古今。源：流浪地球 2 預(yù)告片想到這兒，真的熱淚盈眶。本來(lái)自微信公眾號(hào)：科院物理所 （ID：cas-iop），作者：穆勒家保