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電影《流浪地球 2》中的太空電梯“女士們，先生們，空電梯即將達(dá)到失重空間站請做好準(zhǔn)備，從右側(cè)梯門下?！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，有一天你將親耳聽見這樣播報聲，你相信嗎？01、太空電梯從何而來20 世紀(jì)初，被譽為“航天之父“的俄科學(xué)家康斯坦丁?齊奧爾科斯基提出過幾大構(gòu)想：用液作為火箭燃料；宇宙空間中作用力是移動的唯一方法；兩節(jié)以上的火箭串聯(lián)起來，成一列多級火箭以提高火箭速度。在一百多年后的今天這些設(shè)想，都已經(jīng)成為了航領(lǐng)域的重要應(yīng)用?？邓固苟?齊奧爾科夫斯基然而，他在 1895 年提出的一個設(shè)想，卻至今仍未實現(xiàn)。這個先龍，其實很樸素：他提議在地上建設(shè)一座超高高高的鐵塔一直建到地球同步軌道為止在鐵塔內(nèi)架設(shè)電梯，于是我便可以搭著電梯進(jìn)入外太空初代太空電梯概念圖這，便太空電梯的雛形。這樣的鐵結(jié)構(gòu)，是不是感覺似曾相識實際上，這就是齊奧爾科夫基在參觀法國埃菲爾鐵塔時到的啟發(fā)！這樣的構(gòu)想，也我們對電梯的認(rèn)知最為接近但是…地球同步軌道距離我有 35786000 米，目前世界上最高的建筑，是于迪拜的哈利法塔，高度卻有 828 米...? ? ? 這樣一看，似乎太空電梯是沒戲了？別炎居！此刻，就是上世紀(jì)中葉的宇宙學(xué)家快來想想怎么解決這個難題如果一時半會兒沒有思路的，先試著回答下面這個問題新年第一問點擊空白處查看案假如，我讓你把一只風(fēng)箏到 250 米的高空，除了在地面上奔跑，不斷放長線，將風(fēng)箏放飛到空中外，還怎么做？你可以坐直升機(jī)到高空，將風(fēng)箏扔出，慢慢放，讓風(fēng)箏到達(dá) 250 米的半空。不要問我為什么要放箏，也不要問我風(fēng)箏線會不斷，這都不是重點 (我才不承認(rèn)這個類比很不嚴(yán)謹(jǐn))！重點是，逆向思維！同樣得，們想要建造一座直達(dá)外太空電梯，最重要的就是需要提繩索軌道，那么，既然從地向上建造不現(xiàn)實，那我們…不能從太空中 "扔" 下繩索，就像扔風(fēng)箏一樣？也就說，我們可以先發(fā)射一顆地同步衛(wèi)星，然后從衛(wèi)星上伸繩索 "垂" 到地面上，在地面一端固定，形成太空電的運行軌道。太空電梯理念? (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，使得太電梯顯得不那么鏡花水月，今的太空電梯計劃，都是基這個模型。02、大林組太空電梯計劃在眾多太空電梯計中，尤其受人矚目的，是大組在 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筑公司大鬻子組，宣要投資 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上開工，2050 年左右落成運營。大林組官網(wǎng)概念圖然而，距儒家計啟動已經(jīng)過去了十年之久，景似乎不容樂觀，就連大林公司內(nèi)部，一直參與太空電研發(fā)的高級工程師石川洋二坦言：這個項目越是嘗試，越是困難。首先，不考慮一外部因素，太空電梯主要由部分構(gòu)成：電梯的廂體、廂上下運動所需的纜繩軌道、于在地球端固定纜繩的海上地，以及配重。太空電梯結(jié)前面三個似乎很容易理解，為什么還需要配重呢？在剛提到的太空電梯設(shè)想中，我要從同步衛(wèi)星上 "扔" 下纜繩，一直 "垂" 到地球上，可隨著纜繩逐漸下放，到的萬有引力會大于離心力于是纜繩會對同步衛(wèi)星產(chǎn)生內(nèi)的拉力，那豈不是纜繩放放著，就把原本穩(wěn)定的同步星給拽下來了？為了解決這問題，我們在向下放纜繩的時，也必須向上”扔”東西產(chǎn)生一個向外的拉力，以此消纜繩對衛(wèi)星向內(nèi)的拉力。上”扔”的東西必須足夠重能夠把衛(wèi)星給穩(wěn)住，我們把稱為配重?？墒?，新問題又了！纜繩實際并不是靜止的態(tài)，而是在隨著同步衛(wèi)星一高速轉(zhuǎn)動，所需的巨大向心可能會超過材料的抗拉極限導(dǎo)致纜繩自己把自己甩斷。們來深切體會一下，太空電對材料抗拉能力的要求，到有多苛刻。在地心參考系中將纜繩簡化成圓柱狀，密度 ρ，橫截面是 S，一端固定于地球同步衛(wèi)星，另一端定于赤道海上基地?？紤]在步衛(wèi)星軌道附近的一小段纜，不考慮各種額外的載重，受到的拉力可以這樣計算：果我們用鋼作為太空電梯的繩，將上式簡化變形，代入的密度值，可以估算得到鋼要承受的最大應(yīng)力至少要達(dá) 400 GPa。但實際上，鋼的抗拉強(qiáng)度只有 400 MPa！也就是說，即便是用鋼來做纜繩，也會直接在大的引力作用下變形。至此我們遇到了異常棘手的問題如何找到密度小，但抗拉強(qiáng)大的材料？03、太空電梯的纜繩難題目前，最有可能滿上述要求的是碳納米管：由原子組成的管狀結(jié)構(gòu)納米材，這是目前已知的理論上力強(qiáng)度最高和韌性最好的材料碳納米管結(jié)構(gòu)碳納米管的密大約是 1700 kg/㎡，代入上面公式計算，得到果用碳納米管做太空電梯的繩，碳納米管的抗拉強(qiáng)度至要達(dá)到 90 GPa。目前，我們能夠在實驗中合成的納米管的抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到 200 GPa；甚至，對于具有理想結(jié)構(gòu)的單壁碳納米而言，其抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到 800 GPa。這樣看來，我們只要生產(chǎn)出幾萬公里錫山碳納米管，把它從同步衛(wèi)星 "懸掛" 下來，固定到赤道附近的海上基站灌山問題不迎刃而解了！然而，我們探太空電梯的道路，注定崎嶇平。1991 年，日本科學(xué)家飯島澄男發(fā)現(xiàn)并命名章山碳米管，給陷入瓶頸的太空電設(shè)想注入了最鮮活的血液，多研究團(tuán)隊都重新拾起了太電梯計劃?？墒?，大家很快發(fā)現(xiàn)，由于制備工藝的限制實際能夠制備出的碳納米管度只有幾毫米，且存在大量構(gòu)缺陷。唉，似乎又走到了胡同…但正所謂，沉舟側(cè)畔帆過，病樹前頭萬木春。2013 年，清華大學(xué)魏飛教授團(tuán)隊，將名家長每毫米長度碳米管的催化劑活性概率提高 99.5% 以上后，成功制備出了單根長度超過半米且具有完美結(jié)構(gòu)的碳納米管目前，他們正在研制長度在米級以上的碳納米管。我們太空天梯，似乎，迎來了一曙光！04、太空電梯的實際窘境你也許已經(jīng)意識到了，剛討論的都是最簡單的物理型，一旦真的要考慮項目建，就需要解決很多的實際問。例如，鑒于生活中用到的種高壓電線，時間久了就會損，我們很自然地會提出這的疑問：用碳納米管做的纜，耐久性如何？畢竟，如果繩很容易破損，那這電梯即建好了，也是白搭。為了檢碳納米管的耐久性，日本大組于 2015 年，將碳納米管樣品送到了位于地表上 400 公里附近的日本實驗艙內(nèi)。日本“阿女望號”實艙樣品被放置在太空中 2 年后，又被重新帶回地球。究人員分析后發(fā)現(xiàn)，碳納米的表面，已經(jīng)被原子狀態(tài)的破壞。要知道，400 公里高度屬于大氣層中的熱層，氣已經(jīng)極其稀薄，即便是這，2 年的時間也已經(jīng)破壞了碳納米管?？梢韵胂?，直接露在最低端對流層內(nèi)的纜繩會面臨著更加嚴(yán)峻的考驗。了被原子狀態(tài)的氧破壞，還要面對各種可能的風(fēng)吹日曬淋，甚至可能碰上閃電、颶等各種極端氣候….提高纜繩耐久性方面的研究，顯然又困難重重，但只要路沒被堵，我們就不會停下探索的步。當(dāng)然，除了耐久性問題以，還有一大堆難題，在等待我們?nèi)ソ鉀Q…例如，如何保電梯廂體有足夠的動力支持可以一直從地面升到太空站?如果升到一半的時候，太空梯的動力系統(tǒng)突然失靈，簡就是高空求生驚悚片現(xiàn)場，想都不寒而栗。假如電梯停這瞬間...（圖源：流浪地球 2 預(yù)告片）再比如，如何讓太空電梯自動躲避太空片和一些可能撞上來的衛(wèi)星一旦躲避不及時，造成的后，難以想象。真可謂驗證了句話：太空電梯，越是嘗試越是困難。05、我們?yōu)槭裁磮?zhí)著于太空電梯這個時候，很可能要問，既然建造太空梯這么困難，那為什么我們一直執(zhí)著于這看似不可能的想呢？因為，我們向往星辰海?？瓤瓤?，不扯這些，說實際的：目前的國際商業(yè)衛(wèi)發(fā)射中，每千克載荷的運輸本在 2 千－2 萬美元之間。假設(shè)小編想要去太均國旅一趟，至少需要 10 萬美元。假設(shè)太空電梯可以建設(shè)功，不考慮初期建設(shè)成本，據(jù)日本大林組的預(yù)估，每千載荷的運輸成本約為 200 美元！也就是說，小編只需要花費 7 萬左右人民幣，就可以去太空旅行夔牛！建成空電梯后，除了讓太空觀光得觸手可及外，我們還能夠成本地在地球和太空間運輸資。這，也許會成為人類太探索史上，最動人心魄的轉(zhuǎn)點！06、有生之年現(xiàn)在，請你仰望天空，想象一下洵山看寡淡的每一秒，都在親證，史的誕生。有生之年，你將到一座宏大的天梯，穿破遙的云層，以摧枯拉朽之勢，斷得沖向地表，最終橫貫天，艷絕古今。圖源：流浪地 2 預(yù)告片想到這兒，我真的熱淚盈眶。本文來自微信眾號：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：穆勒家保?