電影《流浪球 2》中的太空電梯“士們，先生，太空電梯將達到失重間站，請做準備，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，有天你將親耳見這樣的播聲，你相信？01、太空電梯從何而20 世紀初，被譽為“天之父“的國科學(xué)家康坦丁?齊奧科夫斯基提過幾大構(gòu)想用液體作為箭燃料；宇空間中反作力是移動的一方法；將節(jié)以上的火串聯(lián)起來，成一列多級箭以提高火的速度。在百多年后的天，這些設(shè)，都已經(jīng)成了航天領(lǐng)域重要應(yīng)用。斯坦丁?齊爾科夫斯基而，他在 1895 年提出的一個設(shè)，卻至今仍實現(xiàn)。這個想，其實很素：他提議地面上建設(shè)座超高高高鐵塔，一直到地球同步道為止，在塔內(nèi)架設(shè)電，于是我們可以搭著電進入外太空初代太空電概念圖這，是太空電梯雛形。這樣鐵塔結(jié)構(gòu)，不是感覺似相識？實際，這就是齊爾科夫斯基參觀法國埃爾鐵塔時受的啟發(fā)！這的構(gòu)想，也我們對電梯認知最為接，但是…地同步軌道距我們有 35786000 米，目前世界上最高的筑，是位于拜的哈利法，高度卻只 828 米...? ? ? 這樣一看，似乎太電梯是沒戲？別急！此，你就是上紀中葉的宇學(xué)家，快來想怎么解決個難題！如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答案假如，讓你把一只箏放到 250 米的高空，除了在地上奔跑，不放長線繩，風(fēng)箏放飛到中外，還能么做？你可坐直升機到高空，將風(fēng)扔出，慢慢線，讓風(fēng)箏達 250 米的半空。要問我為什要放風(fēng)箏，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不嚴謹)！重點是，逆向維！同樣得我們想要建一座直達外空的電梯，重要的就是要提供繩索道，那么，然從地面向建造不現(xiàn)實那我們…能能從太空中 "扔" 下繩索，就像扔箏一樣？也是說，我們以先發(fā)射一地球同步衛(wèi)，然后從衛(wèi)上伸出繩索 "垂" 到地面上，在地一端固定，成太空電梯運行軌道。空電梯理念? (圖源 NASA)哈！這下不用塔了，只需 " 幾根繩索 " 就行了！正是這的逆向思維使得太空電顯得不那么花水月，如的太空電梯劃，都是基這個模型。02、大林組太空電梯計劃眾多太空電計劃中，尤受人矚目的是大林組在 2012 年宣布的太空梯計劃。2012 年 2 月，尤其擅長建高塔的本著名建筑司大林組，布要投資 100 億美元建設(shè)太空電，預(yù)計電梯速 200 公里，單程要 7 天，計劃 2025 年左右在赤道附近的上開工，2050 年左右落成運營。林組官網(wǎng)概圖然而，距計劃啟動已過去了十年久，前景似不容樂觀，連大林組公內(nèi)部，一直與太空電梯發(fā)的高級工師石川洋二坦言：這個目越是嘗試就越是困難首先，不考一切外部因，太空電梯要由四部分成：電梯的體、廂體上運動所需的繩軌道、用在地球端固纜繩的海上地，以及配。太空電梯構(gòu)前面三個乎很容易理，但為什么需要配重呢在剛剛提到太空電梯設(shè)中，我們要同步衛(wèi)星上 "扔" 下纜繩，一直 "垂" 到地球上，可隨著繩逐漸下放受到的萬有力會大于離力，于是纜會對同步衛(wèi)產(chǎn)生向內(nèi)的力，那豈不纜繩放著放，就把原本定的同步衛(wèi)給拽下來了為了解決這問題，我們向下放纜繩同時，也必向上”扔”西，產(chǎn)生一向外的拉力以此抵消纜對衛(wèi)星向內(nèi)拉力。向上扔”的東西須足夠重，夠把衛(wèi)星給住，我們把稱為配重。是，新問題來了！纜繩際并不是靜的狀態(tài)，而在隨著同步星一起高速動，所需的大向心力可會超過材料抗拉極限，致纜繩自己自己甩斷。們來深切體一下，太空梯對材料抗能力的要求到底有多苛。在地心參系中，將纜簡化成圓柱，密度是 ρ，橫截面是 S，一端固定于地球同步星，另一端定于赤道海基地?？紤]同步衛(wèi)星軌附近的一小纜繩，不考各種額外的重，它受到拉力可以這計算：如果們用鋼作為空電梯的纜，將上式簡變形，代入的密度值，以估算得到需要承受的大應(yīng)力至少達到 400 GPa。但實際上，鋼抗拉強度只 400 MPa！也就是說，即便是鋼來做纜繩也會直接在大的引力作下變形。至，我們遇到異常棘手的題：如何找密度小，但拉強度大的料？03、太空電梯的纜難題目前，有可能滿足述要求的是納米管：由原子組成的狀結(jié)構(gòu)納米料，這是目已知的理論力學(xué)強度最和韌性最好材料。碳納管結(jié)構(gòu)碳納管的密度大是 1700 kg/㎡，代入上面公計算，得到果用碳納米做太空電梯纜繩，碳納管的抗拉強至少要達到 90 GPa。目前，我能夠在實驗合成的碳納管的抗拉強可以達到 200 GPa；甚至，對具有理想結(jié)的單壁碳納管而言，其拉強度可以到 800 GPa。這樣看來，我們要生產(chǎn)出幾公里長的碳米管，把它同步衛(wèi)星上 "懸掛" 下來，固定到道附近的海基站，問題就迎刃而解！然而，我探索太空電的道路，注崎嶇不平。1991 年，日本科學(xué)家島澄男發(fā)現(xiàn)命名了碳納管，給陷入頸的太空電設(shè)想注入了鮮活的血液許多研究團都重新拾起太空電梯計。可是，大很快就發(fā)現(xiàn)由于制備工的限制，實能夠制備出碳納米管長只有幾毫米且存在大量構(gòu)缺陷。唉似乎又走到死胡同…但所謂，沉舟畔千帆過，樹前頭萬木。2013 年，清華大魏飛教授團，將生長每米長度碳納管的催化劑性概率提高 99.5% 以上后，成功制備出了根長度超過米，且具有美結(jié)構(gòu)的碳米管。目前他們正在研長度在千米以上的碳納管。我們的空天梯，似，迎來了一曙光！04、太空電梯的際窘境你也已經(jīng)意識到，剛剛討論都是最簡單物理模型，旦真的要考項目建設(shè)，需要解決很的實際問題例如，鑒于活中用到的種高壓電線時間久了就磨損，我們自然地會提這樣的疑問用碳納米管的纜繩，耐性如何？畢，如果纜繩容易破損，這電梯即便好了，也是搭。為了檢碳納米管的久性，日本林組于 2015 年，將碳納米管樣送到了位于表上空 400 公里附近的日本實驗內(nèi)。日本“望號”實驗樣品被放置太空中 2 年后，又被新帶回地球研究人員分后發(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的熱層，空已經(jīng)極其稀，即便是這，2 年的時間也已經(jīng)破了碳納米管可以想象，接暴露在最端對流層內(nèi)纜繩，會面著更加嚴峻考驗。除了原子狀態(tài)的破壞，還需面對各種可的風(fēng)吹日曬淋，甚至可碰上閃電、風(fēng)等各種極氣候….提高纜繩耐久性面的研究，然又是困難重，但只要沒被堵死，們就不會停探索的步伐當(dāng)然，除了久性問題以，還有一大難題，在等著我們?nèi)ソ?…例如，如保證電梯廂有足夠的動支持，可以直從地面升太空站?如果升到一半的候，太空電的動力系統(tǒng)然失靈，簡就是高空求驚悚片現(xiàn)場想想都不寒栗。假如電停在這瞬間...（圖源：流浪地球 2 預(yù)告片）再比如，如何太空電梯自躲避太空碎和一些可能上來的衛(wèi)星一旦躲避不時，造成的果，難以想。真可謂驗了那句話：空電梯，越嘗試，越是難。05、我們?yōu)槭裁磮?zhí)于太空電梯個時候，你可能要問，然建造太空梯這么困難那為什么我還一直執(zhí)著這看似不可的設(shè)想呢？為，我們向星辰大海。咳咳，不扯些，說點實的：目前的際商業(yè)衛(wèi)星射中，每千載荷的運輸本在 2 千－2 萬美元之間。假設(shè)編想要去太旅行一趟，少需要 10 萬美元。假設(shè)太空電梯以建設(shè)成功不考慮初期設(shè)成本，根日本大林組預(yù)估，每千載荷的運輸本約為 200 美元！也就是說，小只需要花費 7 萬左右人民幣，就可去太空旅行！建成太空梯后，除了太空觀光變觸手可及外我們還能夠成本地在地和太空間運物資。這，許會成為人太空探索史，最動人心的轉(zhuǎn)折點！06、有生之年現(xiàn)在，請你望天空，想一下?？此?淡的每一秒都在親證，史的誕生。生之年，你看到一座宏的天梯，穿遙遠的云層以摧枯拉朽勢，不斷得向地表，最橫貫天地，絕古今。圖：流浪地球 2 預(yù)告片想到這兒，我的熱淚盈眶本文來自微公眾號：中院物理所 （ID：cas-iop），作者：穆勒保?