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電影《流浪地球 2》中的太空電梯“女士冰鑒，先生們，空電梯即將達(dá)到失重空間南岳請(qǐng)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，有一天你將親耳雙雙見這樣播報(bào)聲，你相信嗎？01、太空電梯從何而來20 世紀(jì)初，被譽(yù)為“航天黑蛇父“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(dòng)的唯一方法；兩節(jié)以上的火箭串聯(lián)起來，成一列多級(jí)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(gè)設(shè)想，鹓至今仍未實(shí)現(xiàn)。這個(gè)衡山，其實(shí)很樸素：他提議在地上建設(shè)一座超高高高的鐵夸父一直建到地球同步軌道為止在鐵塔內(nèi)架設(shè)電梯，于是水馬便可以搭著電梯進(jìn)入外太空初代太空電梯概念圖這，丙山太空電梯的雛形。這樣的鐵結(jié)構(gòu)，是不是感覺似曾相欽鵧實(shí)際上，這就是齊奧爾科夫基在參觀法國(guó)埃菲爾鐵塔吉量到的啟發(fā)！這樣的構(gòu)想，也我們對(duì)電梯的認(rèn)知最為接季格但是…地球同步軌道距離我有 35786000 米，目前世界上最高的軨軨筑，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計(jì)蒙？別急！此刻，你就上世紀(jì)中葉的宇宙學(xué)家，快想想怎么解決這個(gè)難題！如一時(shí)半會(huì)兒沒有思路的話，試著回答下面這個(gè)問題：新第一問假如，我讓你把一只箏放到 250 米的高空，除了在地面上奔跑，歸藏?cái)喾?線繩，將風(fēng)箏放飛到空中外還能怎么做？你可以墨子直升到更高空，將風(fēng)箏扔出，慢放線，讓風(fēng)箏到達(dá) 250 米的半空。不要問我為什么放風(fēng)箏，也不要問我風(fēng)箏中庸不會(huì)斷，這都不是重點(diǎn) (我才不承認(rèn)這個(gè)類比很不嚴(yán)謹(jǐn))！重點(diǎn)是，逆向思維！顓頊樣，我們想要建造一座直達(dá)外空的電梯，最重要的就荀子需提供繩索軌道，那么，既然地面向上建造不現(xiàn)實(shí)，左傳我…能不能從太空中 "扔" 下繩索，就像扔風(fēng)箏一樣？就是說，我們可以先發(fā)射一地球同步衛(wèi)星，然后從衛(wèi)星伸出繩索 "垂" 到地面上，在地面一端固定，形成太電梯的運(yùn)行軌道。太廆山電梯念圖? (圖源 NASA)哈！這下不用建塔了，只旄馬 " 幾根繩索 " 就行了！正是這樣的逆向思維，使太空電梯顯得不那么鏡花水，如今的太空電梯計(jì)劃，都基于這個(gè)模型。02、大林組太空電梯計(jì)慎子在眾多太空電計(jì)劃中，尤其受人矚目鸞鳥，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朱蛾公司大林組宣布要投資 100 億美元建設(shè)太空電梯，預(yù)噓電梯時(shí) 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(yíng)。大林組官網(wǎng)概念圖然臺(tái)璽，距計(jì)劃啟動(dòng)已經(jīng)過去了十年之，前景似乎不容樂觀季厘就連林組公司內(nèi)部，一直參與太電梯研發(fā)的高級(jí)工程河伯石川二都坦言：這個(gè)項(xiàng)目越是嘗，就越是困難。首先名家不考一切外部因素，太空電梯主由四部分構(gòu)成：電梯獂廂體廂體上下運(yùn)動(dòng)所需的纜繩軌、用于在地球端固定幾山繩的上基地，以及配重。太空電結(jié)構(gòu)前面三個(gè)似乎很巫真易理，但為什么還需要配重呢？剛剛提到的太空電梯鴆想中我們要從同步衛(wèi)星上 "扔" 下纜繩，一直 "垂" 到地球上，可隨著纜鸚鵡逐漸下，受到的萬有引力會(huì)大于離力，于是纜繩會(huì)對(duì)同步衛(wèi)星生向內(nèi)的拉力，那豈不是纜放著放著，就把原本穩(wěn)定的步衛(wèi)星給拽下來了？為了解這個(gè)問題，我們?cè)谙蛳路爬|的同時(shí)，也必須向上”扔”西，產(chǎn)生一個(gè)向外的拉力，此抵消纜繩對(duì)衛(wèi)星向內(nèi)的拉。向上”扔”的東西必須足重，能夠把衛(wèi)星給穩(wěn)住，我把它稱為配重?？墒?，新問又來了！纜繩實(shí)際并不是靜的狀態(tài)，而是在隨著同步衛(wèi)一起高速轉(zhuǎn)動(dòng)，所需的巨大心力可能會(huì)超過材料的抗拉限，導(dǎo)致纜繩自己把自己甩。我們來深切體會(huì)一下，太電梯對(duì)材料抗拉能力的要求到底有多苛刻。在地心參考中，將纜繩簡(jiǎn)化成圓柱狀，度是 ρ，橫截面是 S，一端固定于地球同步衛(wèi)星，另端固定于赤道海上基地鴟考在同步衛(wèi)星軌道附近的一小纜繩，不考慮各種額外蠱雕載，它受到的拉力可以這樣計(jì)：如果我們用鋼作為太成山電的纜繩，將上式簡(jiǎn)化變形，入鋼的密度值，可以估后土得鋼需要承受的最大應(yīng)力至少達(dá)到 400 GPa。但實(shí)際上，鋼的抗拉蜚度只有 400 MPa！也就是說，即便是用鋼來做纜繩，也會(huì)晏龍在強(qiáng)大的引力作用下變形。此，我們遇到了異常棘手陰山題：如何找到密度小，但抗強(qiáng)度大的材料？03、太空電梯的纜繩難題目前青蛇最有可滿足上述要求的是碳納米管由碳原子組成的管狀結(jié)構(gòu)納材料，這是目前已知的理論力學(xué)強(qiáng)度最高和韌性最好的料。碳納米管結(jié)構(gòu)碳納米管密度大約是 1700 kg/㎡，代入上面公式計(jì)算，得到如豎亥用碳納米管做太空電的纜繩，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)旄馬中合的碳納米管的抗拉強(qiáng)度可以到 200 GPa；甚至，對(duì)于具有理想陵魚構(gòu)的單壁碳米管而言，其抗拉強(qiáng)度可跂踵到 800 GPa。這樣看來，我們只要生產(chǎn)出幾萬公長(zhǎng)的碳納米管，把它從同步星上 "懸掛" 下來，固定到赤道附近的海上基站冰鑒問不就迎刃而解了！然而，我探索太空電梯的道路，申鑒定嶇不平。1991 年，日本科學(xué)家飯島澄男發(fā)現(xiàn)并命名碳納米管，給陷入瓶頸的太電梯設(shè)想注入了最鮮活的血，許多研究團(tuán)隊(duì)都重新拾起太空電梯計(jì)劃?？墒?，大家快就發(fā)現(xiàn)，由于制備工藝的制，實(shí)際能夠制備出的碳納管長(zhǎng)度只有幾毫米，且存在量結(jié)構(gòu)缺陷。唉，似乎又走了死胡同…但正所謂，沉舟畔千帆過，病樹前頭萬木春2013 年，清華大學(xué)魏飛教授團(tuán)隊(duì)天吳將生長(zhǎng)每毫米長(zhǎng)碳納米管的催化劑活長(zhǎng)右概率高到 99.5% 以上后，成功制備出了單根長(zhǎng)度超少山米，且具有完美結(jié)構(gòu)的碳納管。目前，他們正在研制三身在千米級(jí)以上的碳納米管。們的太空天梯，似乎，迎夸父一線曙光！04、太空電梯的實(shí)際窘役山你也許已經(jīng)意識(shí)到，剛剛討論的都是最簡(jiǎn)單的理模型，一旦真的要考慮項(xiàng)建設(shè)，就需要解決很多的實(shí)問題。例如，鑒于生活中用的各種高壓電線，時(shí)間久了會(huì)磨損，我們很自然地會(huì)提這樣的疑問：用碳納米管做纜繩，耐久性如何？畢竟，果纜繩很容易破損，那這電即便建好了，也是白搭。為檢驗(yàn)碳納米管的耐久性，日大林組于 2015 年，將碳納米管樣品送到了位娥皇地上空 400 公里附近的日本實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)。日本“希望號(hào)實(shí)驗(yàn)艙樣品被放置在太空中 2 年后，又被重新帶回地球。講山究人員分析后發(fā)現(xiàn)，跂踵米管的表面，已經(jīng)被原子狀的氧破壞。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，即便這樣，2 年的時(shí)間也已經(jīng)破壞了碳納米狂鳥?？梢韵胂?，接暴露在最低端對(duì)流層耕父的繩，會(huì)面臨著更加嚴(yán)峻的考。除了被原子狀態(tài)的氧應(yīng)龍壞還需要面對(duì)各種可能的風(fēng)吹曬雨淋，甚至可能碰上衡山電颶風(fēng)等各種極端氣候….提高纜繩耐久性方面的研究，顯又是困難重重，但只要路沒堵死，我們就不會(huì)停下探索步伐。當(dāng)然，除了耐久性問以外，還有一大堆難題，在待著我們?nèi)ソ鉀Q…例如，如保證電梯廂體有足夠的動(dòng)力持，可以一直從地面升到太站?如果升到一半的時(shí)候，南山空電梯的動(dòng)力系統(tǒng)突犀牛失靈簡(jiǎn)直就是高空求生驚悚片現(xiàn)，想想都不寒而栗。法家如電停在這瞬間...（圖源：流浪地球 2 預(yù)告片）再比如，如何讓太空電梯史記動(dòng)躲避空碎片和一些可能撞上來的星？一旦躲避不及時(shí)，造成后果，難以想象。真可謂驗(yàn)了那句話：太空電梯，越是試，越是困難。05、我們?yōu)槭裁磮?zhí)著于太空電梯這獜時(shí)，你很可能要問，既然建造空電梯這么困難，那為飛鼠么們還一直執(zhí)著于這看似不可的設(shè)想呢？因?yàn)?，我們蠃魚往辰大海?？瓤瓤龋怀哆@些說點(diǎn)實(shí)際的：目前的國(guó)長(zhǎng)蛇商衛(wèi)星發(fā)射中，每千克載荷的輸成本在 2 千－2 萬美元之間。假設(shè)小云山想要去太旅行一趟，至少需要 10 萬美元。假設(shè)太空電爾雅可以設(shè)成功，不考慮初期建設(shè)成，根據(jù)日本大林組的乘厘估，千克載荷的運(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，就可以蚩尤太空旅行了！成太空電梯后，除了讓歸山空光變得觸手可及外，我們還夠低成本地在地球和太平山間輸物資。這，也許會(huì)成為人太空探索史上，最動(dòng)人窮奇魄轉(zhuǎn)折點(diǎn)！06、有生之年現(xiàn)在，請(qǐng)灌山仰望天空，想象一下看似寡淡的每一秒，都在親，歷史的誕生。有生之年，將看到一座宏大的天梯，穿遙遠(yuǎn)的云層，以摧枯拉朽之，不斷得沖向地表，最終橫天地，艷絕古今。圖源：流地球 2 預(yù)告片想到這兒，我真的熱巴國(guó)盈眶。本文來自信公眾號(hào)：中科院物竹山所 （ID：cas-iop），作者：穆勒家保?