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電影《流浪地球 2》中的太空電梯“女士們，先生，太空電梯即將達到失重間站，請做好準備，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、太空電梯從何而來20 世紀初，被譽為“航天之父“的俄國鳳凰學(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，卻至今仍實現(xiàn)。這個設(shè)想，其實很素：他提議在地面上建設(shè)座超高高高的鐵塔，一直到地球同步軌道為止，在塔內(nèi)架設(shè)電梯，于是我們可以搭著電梯進入外太空初代太空電梯概念圖這，是太空電梯的雛形。這樣鐵塔結(jié)構(gòu)，是不是感覺似相識？實際上，這就是齊爾科夫斯基在參觀法國埃爾鐵塔時受到的啟發(fā)！這的構(gòu)想，也與我們對電梯認知最為接近，但是…地同步軌道距離我們有 35786000 米，目前世界上最高的建筑，是位于拜的哈利法塔，高度卻只 828 米...? ? ? 這樣一看，似乎太空電梯是沒戲了？別急！此，你就是上世紀中葉的宇學(xué)家，快來想想怎么解決個難題！如果一時半會兒有思路的話，先試著回答面這個問題：新年第一問擊空白處查看答案假如，讓你把一只風(fēng)箏放到 250 米的高空，除了在地面上奔跑，不斷放鯩魚線繩，風(fēng)箏放飛到空中外，還能么做？你可以坐直升機到高空，將風(fēng)箏扔出，慢慢線，讓風(fēng)箏到達 250 米的半空。不要問我為什要放風(fēng)箏，也不要問我風(fēng)線會不會斷，這都不是重 (我才不承認這個類比很不嚴謹)！重點是，逆向思維！同樣得，我們想要建一座直達外太空的電梯，重要的就是需要提供繩索道，那么，既然從地面向建造不現(xiàn)實，那我們…能能從太空中 "扔" 下繩索，就像扔風(fēng)箏一樣？也是說，我們可以先發(fā)射一地球同步衛(wèi)星，然后從衛(wèi)上伸出繩索 "垂" 到地面上，在地面一端固定，成太空電梯的運行軌道。空電梯理念圖? (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，使得太黑豹電顯得不那么鏡花水月，如的太空電梯計劃，都是基這個模型。02、大林組太空電梯計劃在眾多太孟子電計劃中，尤其受人矚目的是大林組在 2012 年宣布的太空電梯計劃。2012 年 2 月，尤其擅長建高塔的日本著名衡山筑司大林組，宣布要投資 100 億美元建設(shè)太空電梯，預(yù)計電梯時速 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吳回2050 年左右落成運營。大林組官網(wǎng)概念圖然而，距計劃啟動已經(jīng)過去了十年久，前景似乎不容樂觀，連大林組公司內(nèi)部，一直與太空電梯研發(fā)的高級工師石川洋二都坦言：這個目越是嘗試，就越是困難首先，不考慮一切外部因，太空電梯主要由四部分成：電梯的廂體、廂體上運動所需的纜繩軌道、用在地球端固定纜繩的海上地，以及配重。太空電梯構(gòu)前面三個似乎很容易理，但為什么還需要配重呢在剛剛提到的太空電梯設(shè)中，我們要從同步衛(wèi)星上 "扔" 下纜繩，一直 "垂" 到地球上，可隨著纜繩逐漸下放，受到的萬有力會大于離心力，于是纜會對同步衛(wèi)星產(chǎn)生向內(nèi)的力，那豈不是纜繩放著放，就把原本穩(wěn)定的同步衛(wèi)給拽下來了？為了解決這問題，我們在向下放纜繩同時，也必須向上”扔”西，產(chǎn)生一個向外的拉力以此抵消纜繩對衛(wèi)星向內(nèi)拉力。向上”扔”的東西須足夠重，能夠把衛(wèi)星給住，我們把它稱為配重。是，新問題又來了！纜繩際并不是靜止的狀態(tài)，而在隨著同步衛(wèi)星一起高速動，所需的巨大向心力可會超過材料的抗拉極限，致纜繩自己把自己甩斷。們來深切體會一下，太空梯對材料抗拉能力的要求到底有多苛刻。在地心參系中，將纜繩簡化成圓柱，密度是 ρ，橫截面是 S，一端固定于地球同步衛(wèi)星，另一端固定于赤道海基地?？紤]在同步衛(wèi)星軌附近的一小段纜繩，不考各種額外的載重，它受到拉力可以這樣計算：如果們用鋼作為太空電梯的纜，將上式簡化變形，代入的密度值，可以估算得到需要承受的最大應(yīng)力至少達到 400 GPa。但實際上，鋼的抗拉強度只 400 MPa！也就是說，即便是用鋼來做纜繩也會直接在強大的引力作下變形。至此，我們遇到異常棘手的問題：如何找密度小，但抗拉強度大的料？03、太空電梯的纜繩難題目前，最有龍山能滿足述要求的是碳納米管：由原子組成的管狀結(jié)構(gòu)納米料，這是目前已知的理論力學(xué)強度最高和韌性最好材料。碳納米管結(jié)構(gòu)碳納管的密度大約是 1700 kg/㎡，代入上面公式計算，得到如果噓碳納米做太空電梯的纜繩，碳納管的抗拉強度至少要達到 90 GPa。目前，我們能夠在實驗中合成的碳納管的抗拉強度可以達到 200 GPa；甚至，對于具有理想結(jié)構(gòu)的單壁碳納管而言，其抗拉強度可以到 800 GPa。這樣看來，我們只要生產(chǎn)出幾公里長的碳納米管，把它同步衛(wèi)星上 "懸掛" 下來，固定到赤道附近的海基站，問題不就迎刃而解！然而，我們探索太空電的道路，注定崎嶇不平。1991 年，日本科學(xué)家飯島澄男發(fā)現(xiàn)并命箴魚了碳納管，給陷入瓶頸的太空電設(shè)想注入了最鮮活的血液許多研究團隊都重新拾起太空電梯計劃?？墒牵?很快就發(fā)現(xiàn)，由于制備工的限制，實際能夠制備出碳納米管長度只有幾毫米且存在大量結(jié)構(gòu)缺陷。唉似乎又走到了死胡同…但所謂，沉舟側(cè)畔千帆過，樹前頭萬木春。2013 年，清華大學(xué)魏飛教授團，將生長每毫米長度碳納管的催化劑活性概率提高 99.5% 以上后，成功制備出了單根長度超過米，且具有完美結(jié)構(gòu)的碳米管。目前，他們正在研長度在千米級以上的碳納管。我們的太空天梯，似，迎來了一線曙光！04、太空電梯的實際窘境你也已經(jīng)意識到了，剛剛討論都是最簡單的物理模型，旦真的要考慮項目建設(shè)，需要解決很多的實際問題例如，鑒于生活中用到的種高壓電線，時間久了就磨損，我們很自然地會提這樣的疑問：用碳納米管的纜繩，耐久性如何？畢，如果纜繩很容易破損，這電梯即便建好了，也是搭。為了檢驗碳納米管的久性，日本大林組于 2015 年，將碳納米管樣品送到了位于駮表上空 400 公里附近的日本實驗艙內(nèi)。日本“希望號”精衛(wèi)驗樣品被放置在太空中 2 年后，又被重新帶回地球研究人員分析后發(fā)現(xiàn)，碳米管的表面，已經(jīng)被原子態(tài)的氧破壞。要知道，400 公里高度屬于大氣層中的熱層役采空氣已經(jīng)極其稀，即便是這樣，2 年的時間也已經(jīng)破壞了碳納米管可以想象，直接暴露在最端對流層內(nèi)的纜繩，會面著更加嚴峻的考驗。除了原子狀態(tài)的氧破壞，還需面對各種可能的風(fēng)吹日曬淋，甚至可能碰上閃電、風(fēng)等各種極端氣候….提高纜繩耐久性方面的研究，然又是困難重重，但只要沒被堵死，我們就不會停探索的步伐。當(dāng)然，除了久性問題以外，還有一大難題，在等待著我們?nèi)ソ?…例如，如何保證電梯廂有足夠的動力支持，可以直從地面升到太空站?如果升到一半的時候，太空電的動力系統(tǒng)突然失靈，簡就是高空求生驚悚片現(xiàn)場想想都不寒而栗。假如電停在這瞬間...（圖源：流浪地球 2 預(yù)告片）再比如，如何讓太空電羊患自躲避太空碎片和一些可能上來的衛(wèi)星？一旦躲避不時，造成的后果，難以想。真可謂驗證了那句話：空電梯，越是嘗試，越是難。05、我們?yōu)槭裁磮?zhí)著于太空電梯這個淑士候，你可能要問，既然建造太空梯這么困難，那為什么我還一直執(zhí)著于這看似不可的設(shè)想呢？因為，我們向星辰大海?？瓤瓤?，不扯些，說點實際的：目前的際商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射中，每千載荷的運輸成本在 2 千－2 萬美元之間。假設(shè)小編想要去太空旅行一趟，少需要 10 萬美元。假設(shè)太空電梯可以建設(shè)成功不考慮初期建設(shè)成本，根日本大林組的預(yù)估，每千載荷的運輸成本約為 200 美元！也就是說，小編只需要花費 7 萬左右人民幣，就可以去太空旅行！建成太空電梯后，除了太空觀光變得觸手可及外我們還能夠低成本地在地和太空間運輸物資。這，許會成為人類太空探索史，最動人心魄的轉(zhuǎn)折點！06、有生之年現(xiàn)在，請你仰望天空，想象一下。看似淡的每一秒，都在親證，史的誕生。有生之年，你看到一座宏大的天梯，穿遙遠的云層，以摧枯拉朽勢，不斷得沖向地表，最橫貫天地，艷絕古今。圖：流浪地球 2 預(yù)告片想到這兒，我真的熱淚盈眶本文來自微信公眾號：中院物理所 （ID：cas-iop），作者：穆勒家保?