電影《流地球 2》中的太空梯“女士，先生們太空電梯將達(dá)到失空間站，做好準(zhǔn)備從右側(cè)梯下梯?！?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，有一天將親耳聽這樣的播聲，你相嗎？01、太空電梯何而來20 世紀(jì)初，被譽(yù)為“天之父“俄國科學(xué)康斯坦丁齊奧爾科斯基提出幾大構(gòu)想用液體作火箭燃料宇宙空間反作用力移動的唯方法；將節(jié)以上的箭串聯(lián)起，組成一多級火箭提高火箭速度。在百多年后今天，這設(shè)想，都經(jīng)成為了天領(lǐng)域的要應(yīng)用。斯坦丁?奧爾科夫基然而，在 1895 年提出的一個設(shè)，卻至今未實(shí)現(xiàn)。個設(shè)想，實(shí)很樸素他提議在面上建設(shè)座超高高的鐵塔，直建到地同步軌道止，在鐵內(nèi)架設(shè)電，于是我便可以搭電梯進(jìn)入太空。初太空電梯念圖這，是太空電的雛形。樣的鐵塔構(gòu)，是不感覺似曾識？實(shí)際，這就是奧爾科夫基在參觀國埃菲爾塔時受到啟發(fā)！這的構(gòu)想，與我們對梯的認(rèn)知為接近，是…地球步軌道距我們有 35786000 米，目前世界最高的建，是位于拜的哈利塔，高度只有 828 米...? ? 這樣一看似乎太空梯是沒戲？別急！刻，你就上世紀(jì)中的宇宙學(xué)，快來想怎么解決個難題！果一時半兒沒有思的話，先著回答下這個問題新年第一假如，我你把一只箏放到 250 米的高空，除在地面上跑，不斷長線繩，風(fēng)箏放飛空中外，能怎么做你可以坐升機(jī)到更空，將風(fēng)扔出，慢放線，讓箏到達(dá) 250 米的半空。不問我為什要放風(fēng)箏也不要問風(fēng)箏線會會斷，這不是重點(diǎn) (我才不承認(rèn)這個類很不嚴(yán)謹(jǐn))！重點(diǎn)是逆向思維同樣得，們想要建一座直達(dá)太空的電，最重要就是需要供繩索軌，那么，然從地面上建造不實(shí)，那我…能不能太空中 "扔" 下繩索，就像風(fēng)箏一樣也就是說我們可以發(fā)射一顆球同步衛(wèi)，然后從星上伸出索 "垂" 到地面上，在地面端固定，成太空電的運(yùn)行軌。太空電理念圖? (圖源 NASA)哈！這下不建塔了，需要 " 幾根繩索 " 就行了！正是這的逆向思，使得太電梯顯得那么鏡花月，如今太空電梯劃，都是于這個模。02、大林組太空梯計劃在多太空電計劃中，其受人矚的，是大組在 2012 年宣布的太空梯計劃。2012 年 2 月，尤其擅長高塔的日著名建筑司大林組宣布要投 100 億美元建太空電梯預(yù)計電梯速 200 公里，單程需要 7 天，計劃 2025 年左右在赤道附近海上開工2050 年左右落運(yùn)營。大組官網(wǎng)概圖然而，離計劃啟已經(jīng)過去十年之久前景似乎容樂觀，連大林組司內(nèi)部，直參與太電梯研發(fā)高級工程石川洋二坦言：這項目越是試，就越困難。首，不考慮切外部因，太空電主要由四分構(gòu)成：梯的廂體廂體上下動所需的繩軌道、于在地球固定纜繩海上基地以及配重太空電梯構(gòu)前面三似乎很容理解，但什么還需配重呢？剛剛提到太空電梯想中，我要從同步星上 "扔" 下纜繩，一直 "垂" 到地球上，可著纜繩逐下放，受的萬有引會大于離力，于是繩會對同衛(wèi)星產(chǎn)生內(nèi)的拉力那豈不是繩放著放，就把原穩(wěn)定的同衛(wèi)星給拽來了？為解決這個題，我們向下放纜的同時，必須向上扔”東西產(chǎn)生一個外的拉力以此抵消繩對衛(wèi)星內(nèi)的拉力向上”扔的東西必足夠重，夠把衛(wèi)星穩(wěn)住，我把它稱為重?？墒?新問題又了！纜繩際并不是止的狀態(tài)而是在隨同步衛(wèi)星起高速轉(zhuǎn)，所需的大向心力能會超過料的抗拉限，導(dǎo)致繩自己把己甩斷。們來深切會一下，空電梯對料抗拉能的要求，底有多苛。在地心考系中，纜繩簡化圓柱狀，度是 ρ，橫截面是 S，一端固定于地球步衛(wèi)星，一端固定赤道海上地。考慮同步衛(wèi)星道附近的小段纜繩不考慮各額外的載，它受到拉力可以樣計算：果我們用作為太空梯的纜繩將上式簡變形，代鋼的密度，可以估得到鋼需承受的最應(yīng)力至少達(dá)到 400 GPa。但實(shí)際，鋼的抗強(qiáng)度只有 400 MPa！也就是說，即是用鋼來纜繩，也直接在強(qiáng)的引力作下變形。此，我們到了異常手的問題如何找到度小，但拉強(qiáng)度大材料？03、太空電的纜繩難目前，最可能滿足述要求的碳納米管由碳原子成的管狀構(gòu)納米材，這是目已知的理上力學(xué)強(qiáng)最高和韌最好的材。碳納米結(jié)構(gòu)碳納管的密度約是 1700 kg/㎡，代入上面公式算，得到果用碳納管做太空梯的纜繩碳納米管抗拉強(qiáng)度少要達(dá)到 90 GPa。目前，我們能夠實(shí)驗中合的碳納米的抗拉強(qiáng)可以達(dá)到 200 GPa；甚至，對于具理想結(jié)構(gòu)單壁碳納管而言，抗拉強(qiáng)度以達(dá)到 800 GPa。這樣看來，我們要生產(chǎn)出萬公里長碳納米管把它從同衛(wèi)星上 "懸掛" 下來，固定赤道附近海上基站問題不就刃而解了然而，我探索太空梯的道路注定崎嶇平。1991 年，日本科學(xué)家島澄男發(fā)并命名了納米管，陷入瓶頸太空電梯想注入了鮮活的血，許多研團(tuán)隊都重拾起了太電梯計劃可是，大很快就發(fā)，由于制工藝的限，實(shí)際能制備出的納米管長只有幾毫，且存在量結(jié)構(gòu)缺。唉，似又走到了胡同…但所謂，沉側(cè)畔千帆，病樹前萬木春。2013 年，清華大魏飛教授隊，將生每毫米長碳納米管催化劑活概率提高 99.5% 以上后，成功制出了單根度超過半，且具有美結(jié)構(gòu)的納米管。前，他們在研制長在千米級上的碳納管。我們太空天梯似乎，迎了一線曙！04、太空電梯的際窘境你許已經(jīng)意到了，剛討論的都最簡單的理模型，旦真的要慮項目建，就需要決很多的際問題。如，鑒于活中用到各種高壓線，時間了就會磨，我們很然地會提這樣的疑：用碳納管做的纜，耐久性何？畢竟如果纜繩容易破損那這電梯便建好了也是白搭為了檢驗納米管的久性，日大林組于 2015 年，將碳米管樣品到了位于表上空 400 公里附近的日實(shí)驗艙內(nèi)日本“希號”實(shí)驗樣品被放在太空中 2 年后，又被重新回地球。究人員分后發(fā)現(xiàn)，納米管的面，已經(jīng)原子狀態(tài)氧破壞。知道，400 公里高度屬于大層中的熱，空氣已極其稀薄即便是這，2 年的時間也已破壞了碳米管?？?想象，直暴露在最端對流層的纜繩，面臨著更嚴(yán)峻的考。除了被子狀態(tài)的破壞，還要面對各可能的風(fēng)日曬雨淋甚至可能上閃電、風(fēng)等各種端氣候….提高纜繩久性方面研究，顯又是困難重，但只路沒被堵，我們就會停下探的步伐。然，除了久性問題外，還有大堆難題在等待著們?nèi)ソ鉀Q例如，如保證電梯體有足夠動力支持可以一直地面升到空站?如果升到一半時候，太電梯的動系統(tǒng)突然靈，簡直是高空求驚悚片現(xiàn)，想想都寒而栗。如電梯停這瞬間...（圖源：流浪地球 2 預(yù)告片）再比如如何讓太電梯自動避太空碎和一些可撞上來的星？一旦避不及時造成的后，難以想。真可謂證了那句：太空電，越是嘗，越是困。05、我們?yōu)槭裁?著于太空梯這個時，你很可要問，既建造太空梯這么困，那為什我們還一執(zhí)著于這似不可能設(shè)想呢？為，我們往星辰大。咳咳咳不扯這些說點(diǎn)實(shí)際：目前的際商業(yè)衛(wèi)發(fā)射中，千克載荷運(yùn)輸成本 2 千－2 萬美元之間。假小編想要太空旅行趟，至少要 10 萬美元。設(shè)太空電可以建設(shè)功，不考初期建設(shè)本，根據(jù)本大林組預(yù)估，每克載荷的輸成本約 200 美元！也是說，小只需要花 7 萬左右人民幣就可以去空旅行了建成太空梯后，除讓太空觀變得觸手及外，我還能夠低本地在地和太空間輸物資。，也許會為人類太探索史上最動人心的轉(zhuǎn)折點(diǎn)06、有生之年現(xiàn)在請你仰望空，想象下。看似淡的每一，都在親，歷史的生。有生年，你將到一座宏的天梯，破遙遠(yuǎn)的層，以摧拉朽之勢不斷得沖地表，最橫貫天地艷絕古今圖源：流地球 2 預(yù)告片想這兒，我的熱淚盈。本文來微信公眾：中科院理所 （ID：cas-iop），作者：勒家保?