電影《流浪地球 2》中的太空電梯“女士們，生們，太空電梯即將達(dá)失重空間站，請做好準(zhǔn)，從右側(cè)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，有一天你將親耳聽見這樣的報聲，你相信嗎？01、太空電梯從何而來20 世紀(jì)初，被譽(yù)為“航天父“的俄國科學(xué)家康斯丁?齊奧爾科夫斯基提過幾大構(gòu)想：用液體作火箭燃料；宇宙空間中作用力是移動的唯一方；將兩節(jié)以上的火箭串起來，組成一列多級火以提高火箭的速度。在百多年后的今天，這些想，都已經(jīng)成為了航天域的重要應(yīng)用。康斯坦?齊奧爾科夫斯基然而他在 1895 年提出的一個設(shè)想，卻至今蠕蛇實(shí)現(xiàn)。這個設(shè)想，其實(shí)樸素：他提議在地面上設(shè)一座超高高高的鐵塔一直建到地球同步軌道止，在鐵塔內(nèi)架設(shè)電梯于是我們便可以搭著電進(jìn)入外太空。初代太空梯概念圖這，便是太空梯的雛形。這樣的鐵塔構(gòu)，是不是感覺似曾相？實(shí)際上，這就是齊奧科夫斯基在參觀法國埃爾鐵塔時受到的啟發(fā)！樣的構(gòu)想，也與我們對梯的認(rèn)知最為接近，但…地球同步軌道距離我有 35786000 米，目前世界上最高的筑，是位于迪拜的哈利塔，高度卻只有 828 米...? ? ? 這樣一看，似乎太空電是沒戲了？別急！此刻你就是上世紀(jì)中葉的宇學(xué)家，快來想想怎么解這個難題！如果一時半兒沒有思路的話，先試回答下面這個問題：新第一問點(diǎn)擊空白處查看案假如，我讓你把一只箏放到 250 米的高空，除了在地面上奔跑不斷放長線繩，將風(fēng)箏飛到空中外，還能怎么？你可以坐直升機(jī)到更空，將風(fēng)箏扔出，慢慢線，讓風(fēng)箏到達(dá) 250 米的半空。不要問我為什么要尚書風(fēng)箏，也不要我風(fēng)箏線會不會斷，這不是重點(diǎn) (我才不承認(rèn)這個類比很不嚴(yán)謹(jǐn))！重點(diǎn)是，逆向思維！同樣，我們想要建造一座直外太空的電梯，最重要就是需要提供繩索軌道那么，既然從地面向上造不現(xiàn)實(shí)，那我們…能能從太空中 "扔" 下繩索，就像扔風(fēng)箏一樣也就是說，我們可以先射一顆地球同步衛(wèi)星，后從衛(wèi)星上伸出繩索 "垂" 到地面上，在地面一端固定，形成黃山空電的運(yùn)行軌道。太空電梯念圖? (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，使得歸山空梯顯得不那么鏡花水月如今的太空電梯計劃，是基于這個模型。02、大林組太空電梯計劃在多太空電梯計劃中，尤受人矚目的，是大林組 2012 年宣布的太空電梯計劃。2012 年 2 月，尤其擅長建高塔的日本著名建麈公大林組，宣布要投資 100 億美元建設(shè)太空電梯，預(yù)計電梯時速 200 公里，單程需要 7 天，計劃 2025 年左右在赤道附近的海開工，2050 年左右落成運(yùn)營。大林組官網(wǎng)念圖然而，距離計劃啟已經(jīng)過去了十年之久，景似乎不容樂觀，就連林組公司內(nèi)部，一直參太空電梯研發(fā)的高級工師石川洋二都坦言：這項(xiàng)目越是嘗試，就越是難。首先，不考慮一切部因素，太空電梯主要四部分構(gòu)成：電梯的廂、廂體上下運(yùn)動所需的繩軌道、用于在地球端定纜繩的海上基地，以配重。太空電梯結(jié)構(gòu)前三個似乎很容易理解，為什么還需要配重呢？剛剛提到的太空電梯設(shè)中，我們要從同步衛(wèi)星 "扔" 下纜繩，一直 "垂" 到地球上，可隨著纜繩逐漸下放，提供的萬有引力會大于離心，于是纜繩會對同步衛(wèi)產(chǎn)生向內(nèi)的拉力，那豈是纜繩放著放著，就把本穩(wěn)定的同步衛(wèi)星給拽來了？為了解決這個問，我們在向下放纜繩的時，也必須向上”扔”西，產(chǎn)生一個向外的拉，以此抵消纜繩對衛(wèi)星內(nèi)的拉力。向上”扔”東西必須足夠重，能夠衛(wèi)星給穩(wěn)住，我們把它為配重?？墒?，新問題來了！纜繩實(shí)際并不是止的狀態(tài)，而是在隨著步衛(wèi)星一起高速轉(zhuǎn)動，需的巨大向心力可能會過材料的抗拉極限，導(dǎo)纜繩自己把自己甩斷。們來深切體會一下，太電梯對材料抗拉能力的求，到底有多苛刻。在心參考系中，將纜繩簡成圓柱狀，密度是 ρ，橫截面是 S，一端固定于地球同步衛(wèi)星，另一固定于赤道海上基地。慮在同步衛(wèi)星軌道附近一小段纜繩，不考慮各額外的載重，它受到的力可以這樣計算：如果們用鋼作為太空電梯的繩，將上式簡化變形，入鋼的密度值，可以估得到鋼需要承受的最大力至少要達(dá)到 400 GPa。但實(shí)際上，鋼的抗拉強(qiáng)度只墨子 400 MPa！也就是說，即便是用鋼來做纜繩，也獜接在強(qiáng)大的引力作用下形。至此，我們遇到了常棘手的問題：如何找密度小，但抗拉強(qiáng)度大材料？03、太空電梯的纜繩難題目前，最有可滿足上述要求的是碳納管：由碳原子組成的管結(jié)構(gòu)納米材料，這是目已知的理論上力學(xué)強(qiáng)度高和韌性最好的材料。納米管結(jié)構(gòu)碳納米管的度大約是 1700 kg/㎡，代入上面公式計算，得到如果用碳納米做太空電梯的纜繩，碳米管的抗拉強(qiáng)度至少要到 90 GPa。目前，我們能夠在實(shí)驗(yàn)中合的碳納米管的抗拉強(qiáng)度以達(dá)到 200 GPa；甚至，對于具有理想構(gòu)的單壁碳納米管而言其抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到 800 GPa。這樣看來，我們只要生產(chǎn)出幾萬里長的碳納米管，把它同步衛(wèi)星上 "懸掛" 下來，固定到赤道附近海上基站，問題不就迎而解了！然而，我們探太空電梯的道路，注定嶇不平。1991 年，日本科學(xué)家飯島澄男發(fā)并命名了碳納米管，給入瓶頸的太空電梯設(shè)想入了最鮮活的血液，許研究團(tuán)隊都重新拾起了空電梯計劃?？墒牵?很快就發(fā)現(xiàn)，由于制備藝的限制，實(shí)際能夠制出的碳納米管長度只有毫米，且存在大量結(jié)構(gòu)陷。唉，似乎又走到了胡同…但正所謂，沉舟畔千帆過，病樹前頭萬春。2013 年，清華大學(xué)魏飛教授團(tuán)隊，將長每毫米長度碳納米管催化劑活性概率提高到 99.5% 以上后，成功制備出了單根長度超半米，且具有完美結(jié)構(gòu)碳納米管。目前，他們在研制長度在千米級以的碳納米管。我們的太天梯，似乎，迎來了一曙光！04、太空電梯的實(shí)際窘境你也許已經(jīng)意到了，剛剛討論的都是簡單的物理模型，一旦的要考慮項(xiàng)目建設(shè)，就要解決很多的實(shí)際問題例如，鑒于生活中用到各種高壓電線，時間久就會磨損，我們很自然會提出這樣的疑問：用納米管做的纜繩，耐久如何？畢竟，如果纜繩容易破損，那這電梯即建好了，也是白搭。為檢驗(yàn)碳納米管的耐久性日本大林組于 2015 年，將碳納米管樣品送到了位于地表上空 400 公里附近的日本實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)。日本“希望號”驗(yàn)艙樣品被放置在太空 2 年后，又被重新帶回地球。研究人員分析發(fā)現(xiàn)，碳納米管的表面已經(jīng)被原子狀態(tài)的氧破。要知道，400 公里高度屬于大氣層中的熱，空氣已經(jīng)極其稀薄，便是這樣，2 年的時間也已經(jīng)破壞了碳納米管可以想象，直接暴露在低端對流層內(nèi)的纜繩，面臨著更加嚴(yán)峻的考驗(yàn)除了被原子狀態(tài)的氧破，還需要面對各種可能風(fēng)吹日曬雨淋，甚至可碰上閃電、颶風(fēng)等各種端氣候….提高纜繩耐久性方面的研究，顯然又困難重重，但只要路沒堵死，我們就不會停下索的步伐。當(dāng)然，除了久性問題以外，還有一堆難題，在等待著我們解決…例如，如何保證梯廂體有足夠的動力支，可以一直從地面升到空站?如果升到一半的時候，太空電梯岐山動力系突然失靈，簡直就是高求生驚悚片現(xiàn)場，想想不寒而栗。假如電梯停這瞬間...（圖源：流浪地球 2 預(yù)告片）再比如，如何讓太空電夔牛動躲避太空碎片和一些能撞上來的衛(wèi)星？一旦避不及時，造成的后果難以想象。真可謂驗(yàn)證那句話：太空電梯，越嘗試，越是困難。05、我們?yōu)槭裁磮?zhí)著于太空梯這個時候，你很可能問，既然建造太空電梯么困難，那為什么我們一直執(zhí)著于這看似不可的設(shè)想呢？因?yàn)?，我?往星辰大海。咳咳咳，扯這些，說點(diǎn)實(shí)際的：前的國際商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射，每千克載荷的運(yùn)輸成在 2 千－2 萬美元之間。假設(shè)小編想要繡山空旅行一趟，至少需要 10 萬美元。假設(shè)太空電梯可以建設(shè)成功，不慮初期建設(shè)成本，根據(jù)本大林組的預(yù)估，每千載荷的運(yùn)輸成本約為 200 美元！也就是說，小編只需要花費(fèi) 7 萬左右人民幣，就可以去空旅行了！建成太空電后，除了讓太空觀光變觸手可及外，我們還能低成本地在地球和太空運(yùn)輸物資。這，也許會為人類太空探索史上，動人心魄的轉(zhuǎn)折點(diǎn)！06、有生之年現(xiàn)在，請你望天空，想象一下。看寡淡的每一秒，都在親，歷史的誕生。有生之，你將看到一座宏大的梯，穿破遙遠(yuǎn)的云層，摧枯拉朽之勢，不斷得向地表，最終橫貫天地艷絕古今。圖源：流浪球 2 預(yù)告片想到這兒，我真的熱肥遺盈眶。本來自微信公眾號：中科物理所 （ID：cas-iop），作者：穆勒家保?