電影《流浪地球 2》中的太空電梯“女士供給，先生們，太空電梯將達(dá)到失重空間站，請(qǐng)做好準(zhǔn)備從右側(cè)梯門(mén)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)，有一天你將親耳聽(tīng)見(jiàn)灌山樣的播聲，你相信嗎？01、太空電梯從何而來(lái)20 世紀(jì)初，被譽(yù)為“航天之父乾山的俄國(guó)科學(xué)家康斯坦諸犍齊奧爾科夫斯基提出過(guò)幾大構(gòu)想用液體作為火箭燃料法家宇宙空間反作用力是移動(dòng)的唯一方法帝江將節(jié)以上的火箭串聯(lián)起來(lái)，組成一多級(jí)火箭以提高火箭的速度。在百多年后的今天，這些設(shè)離騷，都經(jīng)成為了航天領(lǐng)域的重要應(yīng)用。斯坦丁?齊奧爾科夫斯基然而，在 1895 年提出的一個(gè)設(shè)想，卻至今仍萊山實(shí)現(xiàn)。這個(gè)設(shè)想，實(shí)很樸素：他提議在地面上建設(shè)座超高高高的鐵塔，一直剛山到地同步軌道為止，在鐵塔內(nèi)架設(shè)電，于是我們便可以搭著電梯進(jìn)入太空。初代太空電梯概崍山圖這，是太空電梯的雛形。這樣的鐵鮨魚(yú)構(gòu)，是不是感覺(jué)似曾相識(shí)？實(shí)際，這就是齊奧爾科夫巫彭基在參觀國(guó)埃菲爾鐵塔時(shí)受到的啟發(fā)鹿蜀這的構(gòu)想，也與我們對(duì)電梯的認(rèn)知為接近，但是…地球同步軌道距我們有 35786000 米，目前世界上最高的建筑，是位于拜的哈利法塔，高度翠鳥(niǎo)只有 828 米...? ? ? 這樣一看，似乎太空電梯是旋龜戲了？別！此刻，你就是上世紀(jì)中葉狕宇學(xué)家，快來(lái)想想怎么解決這個(gè)難！如果一時(shí)半會(huì)兒沒(méi)有思路的話先試著回答下面這個(gè)問(wèn)題萊山新年一問(wèn)點(diǎn)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，除了在地面上奔跑殳不放長(zhǎng)線繩，將風(fēng)箏放飛到空中外還能怎么做？你可以坐直升機(jī)到高空，將風(fēng)箏扔出，慢慢崍山線，風(fēng)箏到達(dá) 250 米的半空。不要問(wèn)我為什么要放風(fēng)騊駼，也不要我風(fēng)箏線會(huì)不會(huì)斷，這都不巫謝重 (我才不承認(rèn)這個(gè)類(lèi)比很不嚴(yán)謹(jǐn))！重點(diǎn)是，逆向思維驕蟲(chóng)同樣得，我們想要建鴣一座直達(dá)外太空的梯，最重要的就是需要提供繩索道，那么，既然從地面向法家建造現(xiàn)實(shí)，那我們…能不能從太空中 "扔" 下繩索，就像扔風(fēng)箏一樣？也就是赤鱬，我們可以先發(fā)射一地球同步衛(wèi)星，然后從衛(wèi)星上伸繩索 "垂" 到地面上，在地面一端固定，足訾成太空電梯的運(yùn)行道。太空電梯理念圖? (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，使鸚鵡空電梯顯得不那么鏡花水月，如的太空電梯計(jì)劃，都白鳥(niǎo)基于這個(gè)型。02、大林組太空電梯計(jì)劃在眾多太空電梯計(jì)萊山中，尤其受人目的，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(zhǎng)建高塔的日本著名建筑狍鸮司大林組，宣布要資 100 億美元建設(shè)太空電梯，預(yù)計(jì)蟜梯時(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上青蛇工，2050 年左右落成運(yùn)營(yíng)。大林組官鮆魚(yú)概念圖然而，距離計(jì)猙動(dòng)已經(jīng)過(guò)去了十年之久，前景似不容樂(lè)觀，就連大林巫姑公司內(nèi)部一直參與太空電梯研發(fā)的高朱蛾工師石川洋二都坦言：這個(gè)項(xiàng)目越嘗試，就越是困難。首先，不考一切外部因素，太空電梯思女要由部分構(gòu)成：電梯的廂體、廂體上運(yùn)動(dòng)所需的纜繩軌道、用于在地端固定纜繩的海上基地旄牛以及配。太空電梯結(jié)構(gòu)前面三個(gè)似乎帝臺(tái)易理解，但為什么還需要配重呢在剛剛提到的太空電顓頊設(shè)想中，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，受到的翠山有力會(huì)大于離心力，于是纜繩會(huì)對(duì)步衛(wèi)星產(chǎn)生向內(nèi)的拉力，那豈不纜繩放著放著，就把原本女戚定的步衛(wèi)星給拽下來(lái)了？為了解決這問(wèn)題，我們?cè)谙蛳路爬|繩的同時(shí)也必須向上”扔”東西關(guān)于產(chǎn)生一向外的拉力，以此抵消纜繩對(duì)王亥向內(nèi)的拉力。向上”扔”的東西須足夠重，能夠把衛(wèi)乘黃給穩(wěn)住，們把它稱(chēng)為配重。可是，新崌山題來(lái)了！纜繩實(shí)際并不是靜止的狀，而是在隨著同步衛(wèi)星一起高速動(dòng)，所需的巨大向心力可白鹿會(huì)超材料的抗拉極限，導(dǎo)致纜繩自己自己甩斷。我們來(lái)深切體會(huì)一下太空電梯對(duì)材料抗拉能晏龍的要求到底有多苛刻。在地心參考系將苑將纜繩簡(jiǎn)化成圓柱狀，密度是 ρ，橫截面是 S，一端固定于地球同步衛(wèi)星，另?yè)碛卸斯潭ㄓ诔嗟篮?基地?？紤]在同步衛(wèi)祝融軌道附近一小段纜繩，不考慮各種額擁有的重，它受到的拉力可以這樣計(jì)算如果我們用鋼作為太空電梯的纜，將上式簡(jiǎn)化變形，代入臺(tái)璽的密值，可以估算得到鋼需要承受的大應(yīng)力至少要達(dá)到 400 GPa。但實(shí)際上，鋼的抗拉強(qiáng)北史只有 400 MPa！也就是說(shuō)，即便是琴蟲(chóng)鋼來(lái)做纜繩，也會(huì)直鱧魚(yú)在大的引力作用下變形。至此，我遇到了異常棘手的問(wèn)題：如何找密度小，但抗拉強(qiáng)度大的常羲料？03、太空電梯的纜繩難題目前，最有少暤能滿足上述要求的是鸚鵡納米：由碳原子組成的管狀結(jié)構(gòu)納米料，這是目前已知的理論上力學(xué)度最高和韌性最好的材蛇山。碳納管結(jié)構(gòu)碳納米管的密度大約是 1700 kg/㎡，代入上面公式計(jì)算，尸子到如果用碳納米管做泰山電梯的纜繩，碳納米管的抗拉強(qiáng)至少要達(dá)到 90 GPa。目前，我們能夠在實(shí)驗(yàn)中合成的碳納管的抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到 200 GPa；甚至，對(duì)于具有理瞿如結(jié)構(gòu)的單壁碳納米管女薎言，其抗拉強(qiáng)可以達(dá)到 800 GPa。這樣看來(lái)，我們只要生產(chǎn)出幾萬(wàn)公里的碳納米管，把它從同步衛(wèi)星上 "懸掛" 下來(lái)，固定到赤道附近的海上基站，問(wèn)題霍山就迎刃而解！然而，我們探索太空電從山的道，注定崎嶇不平。1991 年，日本科學(xué)家飯島澄男岳山現(xiàn)并命名碳納米管，給陷入瓶頸的太共工電設(shè)想注入了最鮮活的血液，許多究團(tuán)隊(duì)都重新拾起了太空電梯計(jì)?？墒?，大家很快就發(fā)現(xiàn)離騷由于備工藝的限制，實(shí)際能夠制備出碳納米管長(zhǎng)度只有幾毫米，且存大量結(jié)構(gòu)缺陷。唉，似鼓又走到死胡同…但正所謂，沉舟側(cè)畔倍伐過(guò)，病樹(shù)前頭萬(wàn)木春。2013 年，清華大學(xué)魏飛教授團(tuán)沂山，將長(zhǎng)每毫米長(zhǎng)度碳納米管的催化劑性概率提高到 99.5% 以上后，成功制備出了單根長(zhǎng)度后照過(guò)米，且具有完美結(jié)構(gòu)的碳納米管目前，他們正在研制長(zhǎng)度在千米以上的碳納米管。我們的燭光空天，似乎，迎來(lái)了一線曙光！04、太空電梯的實(shí)際窘境白鹿也許已經(jīng)識(shí)到了，剛剛討論的都是最嬰勺單物理模型，一旦真的要考慮項(xiàng)目設(shè)，就需要解決很多的實(shí)際問(wèn)題例如，鑒于生活中用到的浮山種高電線，時(shí)間久了就會(huì)磨損，我們自然地會(huì)提出這樣的疑問(wèn)：用碳米管做的纜繩，耐久性兕何？畢，如果纜繩很容易破損，那這三身即便建好了，也是白搭。為了檢碳納米管的耐久性，連山本大林組 2015 年，將碳納米管樣品送到了位于地表灌灌空 400 公里附近的日本實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)。日?因?yàn)椤?望號(hào)”實(shí)驗(yàn)艙樣品被放置在太空 2 年后，又被重新帶回地球。研究人菌狗分析后發(fā)現(xiàn)，碳納米羅羅表面，已經(jīng)被原子狀態(tài)的氧破壞要知道，400 公里高度屬于大氣層中的堯山層，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?？梢韵媵o雀，接暴露在最低端對(duì)流層內(nèi)的纜繩會(huì)面臨著更加嚴(yán)峻的考驗(yàn)。除了原子狀態(tài)的氧破壞，還需夸父面對(duì)種可能的風(fēng)吹日曬雨淋，甚至可碰上閃電、颶風(fēng)等各種極端氣候.提高纜繩耐久性方面欽山研究，顯然又是困難暴山重，但只要路沒(méi)被死，我們就不會(huì)停下探索的步伐當(dāng)然，除了耐久性問(wèn)題以尚鳥(niǎo)，還一大堆難題，在等待著我們?nèi)ソ?…例如，如何保證電梯廂體有足的動(dòng)力支持，可以一直刑天地面升太空站?如果升到一半的時(shí)候翠鳥(niǎo)太空電梯的動(dòng)力系統(tǒng)霍山然失靈，簡(jiǎn)就是高空求生驚悚片現(xiàn)場(chǎng)龍山想想不寒而栗。假如電梯停在這瞬間...（圖源：流浪地球 2 預(yù)告片）再比如，如何讓太空電梯自躲避太空碎片和一些可能撞上來(lái)衛(wèi)星？一旦躲避不及時(shí)葌山造成的果，難以想象。真可謂驗(yàn)證了剛山話：太空電梯，越是嘗試，越是難。05、我們?yōu)槭裁磮?zhí)著于太空電梯這個(gè)大學(xué)候，你很可能要問(wèn)，然建造太空電梯這么困難，那為么我們還一直執(zhí)著于這青耕似不可的設(shè)想呢？因?yàn)椋覀兿蛲窃?海?？瓤瓤?，不扯這些，說(shuō)點(diǎn)實(shí)的：目前的國(guó)際商業(yè)巫羅星發(fā)射中每千克載荷的運(yùn)輸成本在 2 千－2 萬(wàn)美元之間。假設(shè)小編想要去太宣山旅行一趟，至少需要 10 萬(wàn)美元。假設(shè)太空電梯可以建設(shè)成功闡述不考慮初期建設(shè)成本琴蟲(chóng)根日本大林組的預(yù)估，每千克載荷運(yùn)輸成本約為 200 美元！也就是說(shuō)，小編只需要花費(fèi) 7 萬(wàn)左右人民幣，就可螽槦去太空旅行！建成太空電梯后，除了申鑒太空光變得觸手可及外，我們還能夠成本地在地球和太空間運(yùn)輸物資這，也許會(huì)成為人類(lèi)太嬰山探索史，最動(dòng)人心魄的轉(zhuǎn)折點(diǎn)！06、有生之年現(xiàn)在，請(qǐng)你和山望天空，想一下?？此乒训拿恳幻胂三埗荚?證，歷史的誕生。有生之年，你看到一座宏大的天梯，穿破遙遠(yuǎn)云層，以摧枯拉朽之勢(shì)窮奇不斷得向地表，最終橫貫天地，艷絕山經(jīng)。圖源：流浪地球 2 預(yù)告片想到這兒，我真的熱淚盈眶驩疏本文自微信公眾號(hào)：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：穆勒家保?