劇情簡(jiǎn)介
電影《流浪地 2》中的太空電梯“女士們先生們，太空梯即將達(dá)到失空間站，請(qǐng)做準(zhǔn)備，從右側(cè)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(shuō)，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(lái)20 世紀(jì)初，被譽(yù)“航天之父“俄國(guó)科學(xué)家康坦丁?齊奧爾夫斯基提出過(guò)大構(gòu)想：用液作為火箭燃料宇宙空間中反用力是移動(dòng)的一方法；將兩以上的火箭串起來(lái)，組成一多級(jí)火箭以提火箭的速度。一百多年后的天，這些設(shè)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(gè)設(shè)想，至今仍未實(shí)現(xiàn)這個(gè)設(shè)想，其很樸素：他提在地面上建設(shè)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(jìn)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(jué)似相識(shí)？實(shí)際上這就是齊奧爾夫斯基在參觀國(guó)埃菲爾鐵塔受到的啟發(fā)！樣的構(gòu)想，也我們對(duì)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，似乎太空電梯沒(méi)戲了？別急此刻，你就是世紀(jì)中葉的宇學(xué)家，快來(lái)想怎么解決這個(gè)題！如果一時(shí)會(huì)兒沒(méi)有思路話，先試著回下面這個(gè)問(wèn)題新年第一問(wèn)假，我讓你把一風(fēng)箏放到 250 米的高空，除了在地面上跑，不斷放長(zhǎng)繩，將風(fēng)箏放到空中外，還怎么做？你可坐直升機(jī)到更空，將風(fēng)箏扔，慢慢放線，風(fēng)箏到達(dá) 250 米的半空。不要問(wèn)我為什要放風(fēng)箏，也要問(wèn)我風(fēng)箏線不會(huì)斷，這都是重點(diǎn) (我才不承認(rèn)這個(gè)類很不嚴(yán)謹(jǐn))！重點(diǎn)是，逆向思！同樣得，我想要建造一座達(dá)外太空的電，最重要的就需要提供繩索道，那么，既從地面向上建不現(xiàn)實(shí)，那我…能不能從太中 "扔" 下繩索，就像扔箏一樣？也就說(shuō)，我們可以發(fā)射一顆地球步衛(wèi)星，然后衛(wèi)星上伸出繩 "垂" 到地面上，在地面端固定，形成空電梯的運(yùn)行道。太空電梯念圖? (圖源 NASA)哈！這下不用建了，只需要 " 幾根繩索 " 就行了！正是這樣的逆向思，使得太空電顯得不那么鏡水月，如今的空電梯計(jì)劃，是基于這個(gè)模。02、大林組太空電梯計(jì)劃眾多太空電梯劃中，尤其受矚目的，是大組在 2012 年宣布的太空電梯計(jì)劃。2012 年 2 月，尤其擅長(zhǎng)高塔的日本著建筑公司大林，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開工，2050 年左右落成運(yùn)營(yíng)。大林組官概念圖然而，離計(jì)劃啟動(dòng)已過(guò)去了十年之，前景似乎不樂(lè)觀，就連大組公司內(nèi)部，直參與太空電研發(fā)的高級(jí)工師石川洋二都言：這個(gè)項(xiàng)目是嘗試，就越困難。首先，考慮一切外部素，太空電梯要由四部分構(gòu)：電梯的廂體廂體上下運(yùn)動(dòng)需的纜繩軌道用于在地球端定纜繩的海上地，以及配重太空電梯結(jié)構(gòu)面三個(gè)似乎很易理解，但為么還需要配重？在剛剛提到太空電梯設(shè)想，我們要從同衛(wèi)星上 "扔" 下纜繩，一直 "垂" 到地球上，可隨著繩逐漸下放，到的萬(wàn)有引力大于離心力，是纜繩會(huì)對(duì)同衛(wèi)星產(chǎn)生向內(nèi)拉力，那豈不纜繩放著放著就把原本穩(wěn)定同步衛(wèi)星給拽來(lái)了？為了解這個(gè)問(wèn)題，我在向下放纜繩同時(shí)，也必須上”扔”東西產(chǎn)生一個(gè)向外拉力，以此抵纜繩對(duì)衛(wèi)星向的拉力。向上扔”的東西必足夠重，能夠衛(wèi)星給穩(wěn)住，們把它稱為配?？墒牵聠?wèn)又來(lái)了！纜繩際并不是靜止狀態(tài)，而是在著同步衛(wèi)星一高速轉(zhuǎn)動(dòng)，所的巨大向心力能會(huì)超過(guò)材料抗拉極限，導(dǎo)纜繩自己把自甩斷。我們來(lái)切體會(huì)一下，空電梯對(duì)材料拉能力的要求到底有多苛刻在地心參考系，將纜繩簡(jiǎn)化圓柱狀，密度 ρ，橫截面是 S，一端固定于地球同步衛(wèi)，另一端固定赤道海上基地考慮在同步衛(wèi)軌道附近的一段纜繩，不考各種額外的載，它受到的拉可以這樣計(jì)算如果我們用鋼為太空電梯的繩，將上式簡(jiǎn)變形，代入鋼密度值，可以算得到鋼需要受的最大應(yīng)力少要達(dá)到 400 GPa。但實(shí)際上，鋼的拉強(qiáng)度只有 400 MPa！也就是說(shuō)，即是用鋼來(lái)做纜，也會(huì)直接在大的引力作用變形。至此，們遇到了異常手的問(wèn)題：如找到密度小，抗拉強(qiáng)度大的料？03、太空電梯的纜繩難目前，最有可滿足上述要求是碳納米管：碳原子組成的狀結(jié)構(gòu)納米材，這是目前已的理論上力學(xué)度最高和韌性好的材料。碳米管結(jié)構(gòu)碳納管的密度大約 1700 kg/㎡，代入上面公式計(jì)算，到如果用碳納管做太空電梯纜繩，碳納米的抗拉強(qiáng)度至要達(dá)到 90 GPa。目前，我們能夠在實(shí)中合成的碳納管的抗拉強(qiáng)度以達(dá)到 200 GPa；甚至，對(duì)于具有理結(jié)構(gòu)的單壁碳米管而言，其拉強(qiáng)度可以達(dá) 800 GPa。這樣看來(lái)，我們只要生產(chǎn)幾萬(wàn)公里長(zhǎng)的納米管，把它同步衛(wèi)星上 "懸掛" 下來(lái)，固定到赤道附的海上基站，題不就迎刃而了！然而，我探索太空電梯道路，注定崎不平。1991 年，日本科學(xué)家飯島澄男發(fā)并命名了碳納管，給陷入瓶的太空電梯設(shè)注入了最鮮活血液，許多研團(tuán)隊(duì)都重新拾了太空電梯計(jì)。可是，大家快就發(fā)現(xiàn)，由制備工藝的限，實(shí)際能夠制出的碳納米管度只有幾毫米且存在大量結(jié)缺陷。唉，似又走到了死胡…但正所謂，舟側(cè)畔千帆過(guò)病樹前頭萬(wàn)木。2013 年，清華大學(xué)魏教授團(tuán)隊(duì)，將長(zhǎng)每毫米長(zhǎng)度納米管的催化活性概率提高 99.5% 以上后，成功備出了單根長(zhǎng)超過(guò)半米，且有完美結(jié)構(gòu)的納米管。目前他們正在研制度在千米級(jí)以的碳納米管。們的太空天梯似乎，迎來(lái)了線曙光！04、太空電梯的實(shí)窘境你也許已意識(shí)到了，剛討論的都是最單的物理模型一旦真的要考項(xiàng)目建設(shè)，就要解決很多的際問(wèn)題。例如鑒于生活中用的各種高壓電，時(shí)間久了就磨損，我們很然地會(huì)提出這的疑問(wèn)：用碳米管做的纜繩耐久性如何？竟，如果纜繩容易破損，那電梯即便建好，也是白搭。了檢驗(yàn)碳納米的耐久性，日大林組于 2015 年，將碳納米管樣品送了位于地表上 400 公里附近的日本實(shí)艙內(nèi)。日本“望號(hào)”實(shí)驗(yàn)艙品被放置在太中 2 年后，又被重新帶回球。研究人員析后發(fā)現(xiàn)，碳米管的表面，經(jīng)被原子狀態(tài)氧破壞。要知，400 公里高度屬于大氣中的熱層，空已經(jīng)極其稀薄即便是這樣，2 年的時(shí)間也已經(jīng)破壞了碳納管?？梢韵胂?直接暴露在最端對(duì)流層內(nèi)的繩，會(huì)面臨著加嚴(yán)峻的考驗(yàn)除了被原子狀的氧破壞，還要面對(duì)各種可的風(fēng)吹日曬雨，甚至可能碰閃電、颶風(fēng)等種極端氣候….提高纜繩耐久方面的研究，然又是困難重，但只要路沒(méi)堵死，我們就會(huì)停下探索的伐。當(dāng)然，除耐久性問(wèn)題以，還有一大堆題，在等待著們?nèi)ソ鉀Q…例，如何保證電廂體有足夠的力支持，可以直從地面升到空站?如果升到一半的時(shí)候，空電梯的動(dòng)力統(tǒng)突然失靈，直就是高空求驚悚片現(xiàn)場(chǎng)，想都不寒而栗假如電梯停在瞬間...（圖源：流浪地球 2 預(yù)告片）再比如，如何讓空電梯自動(dòng)躲太空碎片和一可能撞上來(lái)的星？一旦躲避及時(shí)，造成的果，難以想象真可謂驗(yàn)證了句話：太空電，越是嘗試，是困難。05、我們?yōu)槭裁磮?zhí)于太空電梯這時(shí)候，你很可要問(wèn)，既然建太空電梯這么難，那為什么們還一直執(zhí)著這看似不可能設(shè)想呢？因?yàn)?我們向往星辰海?？瓤瓤?，扯這些，說(shuō)點(diǎn)際的：目前的際商業(yè)衛(wèi)星發(fā)中，每千克載的運(yùn)輸成本在 2 千－2 萬(wàn)美元之間。假小編想要去太旅行一趟，至需要 10 萬(wàn)美元。假設(shè)太電梯可以建設(shè)功，不考慮初建設(shè)成本，根日本大林組的估，每千克載的運(yùn)輸成本約 200 美元！也就是說(shuō)，編只需要花費(fèi) 7 萬(wàn)左右人民幣，就可以去空旅行了！建太空電梯后，了讓太空觀光得觸手可及外我們還能夠低本地在地球和空間運(yùn)輸物資這，也許會(huì)成人類太空探索上，最動(dòng)人心的轉(zhuǎn)折點(diǎn)！06、有生之年現(xiàn)，請(qǐng)你仰望天，想象一下。似寡淡的每一，都在親證，史的誕生。有之年，你將看一座宏大的天，穿破遙遠(yuǎn)的層，以摧枯拉之勢(shì)，不斷得向地表，最終貫天地，艷絕今。圖源：流地球 2 預(yù)告片想到這兒，真的熱淚盈眶本文來(lái)自微信眾號(hào)：中科院理所 （ID：cas-iop），作者：穆家保?
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