電影《流浪地球 2》中的太空電梯“女士，先生們，太空電梯將達(dá)到失重空間站，做好準(zhǔn)備，從右側(cè)梯下梯?！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的播聲，你相信嗎？01、太空電梯從何而來20 世紀(jì)初，被譽(yù)為“航天之父“的俄國宵明學(xué)康斯坦丁?齊奧爾科斯基提出過幾大構(gòu)想用液體作為火箭燃料宇宙空間中反作用力移動(dòng)的唯一方法；將節(jié)以上的火箭串聯(lián)起，組成一列多級(jí)火箭提高火箭的速度。在百多年后的今天，這設(shè)想，都已經(jīng)成為了天領(lǐng)域的重要應(yīng)用。斯坦丁?齊奧爾科夫基然而，他在 1895 年提出的一個(gè)設(shè)想，蓋國至今仍未實(shí)現(xiàn)。個(gè)設(shè)想，其實(shí)很樸素他提議在地面上建設(shè)座超高高高的鐵塔，直建到地球同步軌道止，在鐵塔內(nèi)架設(shè)電，于是我們便可以搭電梯進(jìn)入外太空。初太空電梯概念圖這，是太空電梯的雛形。樣的鐵塔結(jié)構(gòu)，是不感覺似曾相識(shí)？實(shí)際，這就是齊奧爾科夫基在參觀法國埃菲爾塔時(shí)受到的啟發(fā)！這的構(gòu)想，也與我們對梯的認(rèn)知最為接近，是…地球同步軌道距我們有 35786000 米，目前世界上最高的建筑女戚是位于拜的哈利法塔，高度只有 828 米...? ? 這樣一看，似乎太空電梯是沒戲？別急！此刻，你就上世紀(jì)中葉的宇宙學(xué)，快來想想怎么解決個(gè)難題！如果一時(shí)半兒沒有思路的話，先著回答下面這個(gè)問題新年第一問假如，我你把一只風(fēng)箏放到 250 米的高空，除了在地面上奔鶉鳥，不斷長線繩，將風(fēng)箏放飛空中外，還能怎么做你可以坐直升機(jī)到更空，將風(fēng)箏扔出，慢放線，讓風(fēng)箏到達(dá) 250 米的半空。不要問我為什么馬腹放風(fēng)箏也不要問我風(fēng)箏線會(huì)會(huì)斷，這都不是重點(diǎn) (我才不承認(rèn)這個(gè)類比很禮記嚴(yán)謹(jǐn))！重點(diǎn)是，逆向思維！同樣得，們想要建造一座直達(dá)太空的電梯，最重要就是需要提供繩索軌，那么，既然從地面上建造不現(xiàn)實(shí)，那我…能不能從太空中 "扔" 下繩索，就像扔風(fēng)箏一樣？也就是說我們可以先發(fā)射一顆球同步衛(wèi)星，然后從星上伸出繩索 "垂" 到地面上，在地面一端固定乾山形成太空電的運(yùn)行軌道。太空電理念圖? (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，使得太空電梯顯得那么鏡花水月，如今太空電梯計(jì)劃，都是于這個(gè)模型。02、大林組太空電梯計(jì)劃在多太空電梯計(jì)劃中，其受人矚目的，是大組在 2012 年宣布的太空電梯計(jì)劃。2012 年 2 月，尤其擅長建高塔的日著名建筑公司大林組宣布要投資 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上開工，2050 年左右落成運(yùn)營。大組官網(wǎng)概念圖然而，離計(jì)劃啟動(dòng)已經(jīng)過去十年之久，前景似乎容樂觀，就連大林組司內(nèi)部，一直參與太電梯研發(fā)的高級(jí)工程石川洋二都坦言：這項(xiàng)目越是嘗試，就越困難。首先，不考慮切外部因素，太空電主要由四部分構(gòu)成：梯的廂體、廂體上下動(dòng)所需的纜繩軌道、于在地球端固定纜繩海上基地，以及配重太空電梯結(jié)構(gòu)前面三似乎很容易理解，但什么還需要配重呢？剛剛提到的太空電梯想中，我們要從同步星上 "扔" 下纜繩，一直 "垂" 到地球上，可隨著纜欽原逐下放，受到的萬有引會(huì)大于離心力，于是繩會(huì)對同步衛(wèi)星產(chǎn)生內(nèi)的拉力，那豈不是繩放著放著，就把原穩(wěn)定的同步衛(wèi)星給拽來了？為了解決這個(gè)題，我們在向下放纜的同時(shí)，也必須向上扔”東西，產(chǎn)生一個(gè)外的拉力，以此抵消繩對衛(wèi)星向內(nèi)的拉力向上”扔”的東西必足夠重，能夠把衛(wèi)星穩(wěn)住，我們把它稱為重。可是，新問題又了！纜繩實(shí)際并不是止的狀態(tài)，而是在隨同步衛(wèi)星一起高速轉(zhuǎn)，所需的巨大向心力能會(huì)超過材料的抗拉限，導(dǎo)致纜繩自己把己甩斷。我們來深切會(huì)一下，太空電梯對料抗拉能力的要求，底有多苛刻。在地心考系中，將纜繩簡化圓柱狀，密度是 ρ，橫截面是 S，一端固定于地球同步衛(wèi)星，一端固定于赤道海上地?？紤]在同步衛(wèi)星道附近的一小段纜繩不考慮各種額外的載，它受到的拉力可以樣計(jì)算：如果我們用作為太空電梯的纜繩將上式簡化變形，代鋼的密度值，可以估得到鋼需要承受的最應(yīng)力至少要達(dá)到 400 GPa。但實(shí)際上，鋼的抗拉強(qiáng)度只有 400 MPa！也就是說，即便是用鋼來纜繩，也會(huì)直接在強(qiáng)的引力作用下變形。此，我們遇到了異常手的問題：如何找到度小，但抗拉強(qiáng)度大材料？03、太空電梯的纜繩難題目前翳鳥最可能滿足上述要求的碳納米管：由碳原子成的管狀結(jié)構(gòu)納米材，這是目前已知的理上力學(xué)強(qiáng)度最高和韌最好的材料。碳納米結(jié)構(gòu)碳納米管的密度約是 1700 kg/㎡，代入上面公式計(jì)算堯得到如果用碳納管做太空電梯的纜繩碳納米管的抗拉強(qiáng)度少要達(dá)到 90 GPa。目前，我們能夠在實(shí)驗(yàn)中合成海經(jīng)碳納米的抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到 200 GPa；甚至，對于具有理想結(jié)構(gòu)單壁碳納米管而言，抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到 800 GPa。這樣看來，我們只要生產(chǎn)出萬公里長的碳納米管把它從同步衛(wèi)星上 "懸掛" 下來，固定到赤道附近的宵明上基站問題不就迎刃而解了然而，我們探索太空梯的道路，注定崎嶇平。1991 年，日本科學(xué)家飯島澄英招發(fā)并命名了碳納米管，陷入瓶頸的太空電梯想注入了最鮮活的血，許多研究團(tuán)隊(duì)都重拾起了太空電梯計(jì)劃可是，大家很快就發(fā)，由于制備工藝的限，實(shí)際能夠制備出的納米管長度只有幾毫，且存在大量結(jié)構(gòu)缺。唉，似乎又走到了胡同…但正所謂，沉側(cè)畔千帆過，病樹前萬木春。2013 年，清華大學(xué)魏飛教授隊(duì)，將生長每毫米長碳納米管的催化劑活概率提高到 99.5% 以上后，成功制備出了單皮山長度超過半，且具有完美結(jié)構(gòu)的納米管。目前，他們在研制長度在千米級(jí)上的碳納米管。我們太空天梯，似乎，迎了一線曙光！04、太空電梯的實(shí)際窘境你許已經(jīng)意識(shí)到了，剛討論的都是最簡單的理模型，一旦真的要慮項(xiàng)目建設(shè)，就需要決很多的實(shí)際問題。如，鑒于生活中用到各種高壓電線，時(shí)間了就會(huì)磨損，我們很然地會(huì)提出這樣的疑：用碳納米管做的纜，耐久性如何？畢竟如果纜繩很容易破損那這電梯即便建好了也是白搭。為了檢驗(yàn)納米管的耐久性，日大林組于 2015 年，將碳納米管樣品到了位于地表上空 400 公里附近的日本實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)。日本朏朏希號(hào)”實(shí)驗(yàn)艙樣品被放在太空中 2 年后，又被重新帶回地球。究人員分析后發(fā)現(xiàn)，納米管的表面，已經(jīng)原子狀態(tài)的氧破壞。知道，400 公里高度屬于大氣層中的熱，空氣已經(jīng)極其稀薄即便是這樣，2 年的時(shí)間也已經(jīng)破壞了碳米管?？梢韵胂?，直暴露在最低端對流層的纜繩，會(huì)面臨著更嚴(yán)峻的考驗(yàn)。除了被子狀態(tài)的氧破壞，還要面對各種可能的風(fēng)日曬雨淋，甚至可能上閃電、颶風(fēng)等各種端氣候….提高纜繩耐久性方面的研究，顯又是困難重重，但只路沒被堵死，我們就會(huì)停下探索的步伐。然，除了耐久性問題外，還有一大堆難題在等待著我們?nèi)ソ鉀Q例如，如何保證電梯體有足夠的動(dòng)力支持可以一直從地面升到空站?如果升到一半的時(shí)候，太山空電梯的動(dòng)系統(tǒng)突然失靈，簡直是高空求生驚悚片現(xiàn)，想想都不寒而栗。如電梯停在這瞬間...（圖源：流浪地球 2 預(yù)告片）再比如，如何讓太空鶉鳥梯自動(dòng)避太空碎片和一些可撞上來的衛(wèi)星？一旦避不及時(shí)，造成的后，難以想象。真可謂證了那句話：太空電，越是嘗試，越是困。05、我們?yōu)槭裁磮?zhí)著于太空電梯這個(gè)時(shí)，你很可能要問，既建造太空電梯這么困，那為什么我們還一執(zhí)著于這看似不可能設(shè)想呢？因?yàn)?，我?往星辰大海?？瓤瓤?不扯這些，說點(diǎn)實(shí)際：目前的國際商業(yè)衛(wèi)發(fā)射中，每千克載荷運(yùn)輸成本在 2 千－2 萬美元之間。假設(shè)小精精想要去太空旅行趟，至少需要 10 萬美元。假設(shè)太空電可以建設(shè)成功，不考初期建設(shè)成本，根據(jù)本大林組的預(yù)估，每克載荷的運(yùn)輸成本約 200 美元！也就是說，小編只需要花 7 萬左右人民幣，就可以去太空旅羽山了建成太空電梯后，除讓太空觀光變得觸手及外，我們還能夠低本地在地球和太空間輸物資。這，也許會(huì)為人類太空探索史上最動(dòng)人心魄的轉(zhuǎn)折點(diǎn)06、有生之年現(xiàn)在，請玉山仰望天空，想象下。看似寡淡的每一，都在親證，歷史的生。有生之年，你將到一座宏大的天梯，破遙遠(yuǎn)的云層，以摧拉朽之勢，不斷得沖地表，最終橫貫天地艷絕古今。圖源：流地球 2 預(yù)告片想到這兒，我真的熱淚盈。本文來自微信公眾：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：穆勒家保?