電影《流浪地球 2》中的太空電梯“女士們，先生，太空電梯即將到失重空間站，做好準(zhǔn)備，從右梯門下梯?！薄癓adies 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，有一天將親耳聽見這樣播報(bào)聲，你相信？01、太空電梯從何而來20 世紀(jì)初，被譽(yù)為“天之父“的俄國學(xué)家康斯坦丁?奧爾科夫斯基提過幾大構(gòu)想：用體作為火箭燃料宇宙空間中反作力是移動的唯一法；將兩節(jié)以上火箭串聯(lián)起來，成一列多級火箭提高火箭的速度在一百多年后的天，這些設(shè)想，已經(jīng)成為了航天域的重要應(yīng)用。斯坦丁?齊奧爾夫斯基然而，他 1895 年提出的一個(gè)設(shè)想，至今仍未實(shí)現(xiàn)。個(gè)設(shè)想，其實(shí)很素：他提議在地上建設(shè)一座超高高的鐵塔，一直到地球同步軌道止，在鐵塔內(nèi)架電梯，于是我們可以搭著電梯進(jìn)外太空。初代太電梯概念圖這，是太空電梯的雛。這樣的鐵塔結(jié)，是不是感覺似相識？實(shí)際上，就是齊奧爾科夫基在參觀法國埃爾鐵塔時(shí)受到的發(fā)！這樣的構(gòu)想也與我們對電梯認(rèn)知最為接近，是…地球同步軌距離我們有 35786000 米，目前世界上最的建筑，是位于拜的哈利法塔，度卻只有 828 米...? ? ? 這樣一看，似乎太空電梯是戲了？別急！此，你就是上世紀(jì)葉的宇宙學(xué)家，來想想怎么解決個(gè)難題！如果一半會兒沒有思路話，先試著回答面這個(gè)問題：新第一問點(diǎn)擊空白查看答案假如，讓你把一只風(fēng)箏到 250 米的高空，除了在地上奔跑，不斷放線繩，將風(fēng)箏放到空中外，還能么做？你可以坐升機(jī)到更高空，風(fēng)箏扔出，慢慢線，讓風(fēng)箏到達(dá) 250 米的半空。不要問我為什要放風(fēng)箏，也不問我風(fēng)箏線會不斷，這都不是重 (我才不承認(rèn)這個(gè)類比很不嚴(yán)謹(jǐn))！重點(diǎn)是，逆向維！同樣得，我想要建造一座直外太空的電梯，重要的就是需要供繩索軌道，那，既然從地面向建造不現(xiàn)實(shí)，那們…能不能從太中 "扔" 下繩索，就像扔風(fēng)箏樣？也就是說，們可以先發(fā)射一地球同步衛(wèi)星，后從衛(wèi)星上伸出索 "垂" 到地面上，在地面一固定，形成太空梯的運(yùn)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！正是這的逆向思維，使太空電梯顯得不么鏡花水月，如的太空電梯計(jì)劃都是基于這個(gè)模。02、大林組太空電梯計(jì)劃在眾太空電梯計(jì)劃中尤其受人矚目的是大林組在 2012 年宣布的太空電梯計(jì)劃。2012 年 2 月，尤其擅長建高的日本著名建筑司大林組，宣布投資 100 億美元建設(shè)太空電，預(yù)計(jì)電梯時(shí)速 200 公里，單程需要 7 天，計(jì)劃 2025 年左右在赤道附的海上開工，2050 年左右落成運(yùn)營。大林組官概念圖然而，距計(jì)劃啟動已經(jīng)過了十年之久，前似乎不容樂觀，連大林組公司內(nèi)，一直參與太空梯研發(fā)的高級工師石川洋二都坦：這個(gè)項(xiàng)目越是試，就越是困難首先，不考慮一外部因素，太空梯主要由四部分成：電梯的廂體廂體上下運(yùn)動所的纜繩軌道、用在地球端固定纜的海上基地，以配重。太空電梯構(gòu)前面三個(gè)似乎容易理解，但為么還需要配重呢在剛剛提到的太電梯設(shè)想中，我要從同步衛(wèi)星上 "扔" 下纜繩，一直 "垂" 到地球上，可隨著繩逐漸下放，受的萬有引力會大離心力，于是纜會對同步衛(wèi)星產(chǎn)向內(nèi)的拉力，那不是纜繩放著放，就把原本穩(wěn)定同步衛(wèi)星給拽下了？為了解決這問題，我們在向放纜繩的同時(shí)，必須向上”扔”西，產(chǎn)生一個(gè)向的拉力，以此抵纜繩對衛(wèi)星向內(nèi)拉力。向上”扔的東西必須足夠，能夠把衛(wèi)星給住，我們把它稱配重?？墒?，新題又來了！纜繩際并不是靜止的態(tài)，而是在隨著步衛(wèi)星一起高速動，所需的巨大心力可能會超過料的抗拉極限，致纜繩自己把自甩斷。我們來深體會一下，太空梯對材料抗拉能的要求，到底有苛刻。在地心參系中，將纜繩簡成圓柱狀，密度 ρ，橫截面是 S，一端固定于地球同步衛(wèi)星，另端固定于赤道海基地?？紤]在同衛(wèi)星軌道附近的小段纜繩，不考各種額外的載重它受到的拉力可這樣計(jì)算：如果們用鋼作為太空梯的纜繩，將上簡化變形，代入的密度值，可以算得到鋼需要承的最大應(yīng)力至少達(dá)到 400 GPa。但實(shí)際上，鋼的抗拉強(qiáng)度只 400 MPa！也就是說，即是用鋼來做纜繩也會直接在強(qiáng)大引力作用下變形至此，我們遇到異常棘手的問題如何找到密度小但抗拉強(qiáng)度大的料？03、太空電梯的纜繩難題目，最有可能滿足述要求的是碳納管：由碳原子組的管狀結(jié)構(gòu)納米料，這是目前已的理論上力學(xué)強(qiáng)最高和韌性最好材料。碳納米管構(gòu)碳納米管的密大約是 1700 kg/㎡，代入上面公式計(jì)算，到如果用碳納米做太空電梯的纜，碳納米管的抗強(qiáng)度至少要達(dá)到 90 GPa。目前，我們能夠在驗(yàn)中合成的碳納管的抗拉強(qiáng)度可達(dá)到 200 GPa；甚至，對于具有理想結(jié)構(gòu)的壁碳納米管而言其抗拉強(qiáng)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，把它從同步衛(wèi)上 "懸掛" 下來，固定到赤道近的海上基站，題不就迎刃而解！然而，我們探太空電梯的道路注定崎嶇不平。1991 年，日本科學(xué)家飯島澄男現(xiàn)并命名了碳納管，給陷入瓶頸太空電梯設(shè)想注了最鮮活的血液許多研究團(tuán)隊(duì)都新拾起了太空電計(jì)劃?？墒?，大很快就發(fā)現(xiàn)，由制備工藝的限制實(shí)際能夠制備出碳納米管長度只幾毫米，且存在量結(jié)構(gòu)缺陷。唉似乎又走到了死同…但正所謂，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(tuán)，將生長每毫米度碳納米管的催劑活性概率提高 99.5% 以上后，成功制備了單根長度超過米，且具有完美構(gòu)的碳納米管。前，他們正在研長度在千米級以的碳納米管。我的太空天梯，似，迎來了一線曙！04、太空電梯的實(shí)際窘境你也已經(jīng)意識到了，剛討論的都是最單的物理模型，旦真的要考慮項(xiàng)建設(shè)，就需要解很多的實(shí)際問題例如，鑒于生活用到的各種高壓線，時(shí)間久了就磨損，我們很自地會提出這樣的問：用碳納米管的纜繩，耐久性何？畢竟，如果繩很容易破損，這電梯即便建好，也是白搭。為檢驗(yàn)碳納米管的久性，日本大林于 2015 年，將碳納米管樣送到了位于地表空 400 公里附近的日本實(shí)驗(yàn)內(nèi)。日本“希望”實(shí)驗(yàn)艙樣品被置在太空中 2 年后，又被重新回地球。研究人分析后發(fā)現(xiàn)，碳米管的表面，已被原子狀態(tài)的氧壞。要知道，400 公里高度屬于大氣層中的熱層空氣已經(jīng)極其稀，即便是這樣，2 年的時(shí)間也已經(jīng)破壞了碳納米管可以想象，直接露在最低端對流內(nèi)的纜繩，會面著更加嚴(yán)峻的考。除了被原子狀的氧破壞，還需面對各種可能的吹日曬雨淋，甚可能碰上閃電、風(fēng)等各種極端氣….提高纜繩耐久性方面的研究，然又是困難重重但只要路沒被堵，我們就不會停探索的步伐。當(dāng)，除了耐久性問以外，還有一大難題，在等待著們?nèi)ソ鉀Q…例如如何保證電梯廂有足夠的動力支，可以一直從地升到太空站?如果升到一半的時(shí)候太空電梯的動力統(tǒng)突然失靈，簡就是高空求生驚片現(xiàn)場，想想都寒而栗。假如電停在這瞬間...（圖源：流浪地 2 預(yù)告片）再比如，如何讓太電梯自動躲避太碎片和一些可能上來的衛(wèi)星？一躲避不及時(shí)，造的后果，難以想。真可謂驗(yàn)證了句話：太空電梯越是嘗試，越是難。05、我們?yōu)槭裁磮?zhí)著于太空梯這個(gè)時(shí)候，你可能要問，既然造太空電梯這么難，那為什么我還一直執(zhí)著于這似不可能的設(shè)想？因?yàn)?，我們?星辰大海?？瓤?，不扯這些，說實(shí)際的：目前的際商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射，每千克載荷的輸成本在 2 千－2 萬美元之間。假設(shè)小編想要太空旅行一趟，少需要 10 萬美元。假設(shè)太空梯可以建設(shè)成功不考慮初期建設(shè)本，根據(jù)日本大組的預(yù)估，每千載荷的運(yùn)輸成本為 200 美元！也就是說，小只需要花費(fèi) 7 萬左右人民幣，可以去太空旅行！建成太空電梯，除了讓太空觀變得觸手可及外我們還能夠低成地在地球和太空運(yùn)輸物資。這，許會成為人類太探索史上，最動心魄的轉(zhuǎn)折點(diǎn)！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，都親證，歷史的誕。有生之年，你看到一座宏大的梯，穿破遙遠(yuǎn)的層，以摧枯拉朽勢，不斷得沖向表，最終橫貫天，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號：中科院物理 （ID：cas-iop），作者：穆勒家保?