电影《流浪地球2》中的太空电梯
“女士们，先生们，太空电梯即将到达失重空间站。请做好准备，从右边的门下电梯。”
“女士们，先生们，我们正在接近空间站。请准备下电梯。门将在右边打开。”
如果我说有一天你会亲眼听到这样的广播，你信吗？
太空电梯从何而来？
20世纪初，被称为“太空飞行之父”的俄罗斯科学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基提出了几大设想:
使用液体作为火箭燃料；
空间中的反作用力是唯一的运动方式；
将两个以上的火箭串联起来，组成多级火箭，提高火箭的速度。
一百多年后的今天，这些想法已经成为航天领域的重要应用。
康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基
然而，他在1895年提出的一个想法还没有实现。
这个想法其实很简单:
他提出在地面上建造一座高达地球同步轨道的超高塔，并在塔内设置电梯，这样我们就可以乘坐电梯进入外太空。
第一代太空电梯概念图
这是太空电梯的原型。
这种塔式结构是不是感觉似曾相识？
其实这就是齐奥尔科夫斯基参观埃菲尔铁塔的灵感来源！
这个想法也是最接近我们对电梯的理解，但是…
地球同步轨道距离我们35786000米。目前世界上最高的建筑是迪拜的迪拜塔，但它的高度只有828米。...
这样看来，太空电梯是没救了？
放心吧！
此时此刻，你是一个上世纪中叶的宇宙学家。来想想怎么解决这个问题吧！
如果你一时没有头绪，试着先回答以下问题:
新年第一题
点击空白处看答案。
如果我让你把风筝放在250米的高空，你除了在地上跑，不断放长线，把风筝放飞到空中，还能做什么？
可以坐直升机到更高的高度，把风筝扔出去，慢慢放线，让风筝在空中达到250米。
不要问我为什么要放风筝，也不要问我风筝线会不会断。这不是重点！
重点是，逆向思维！
同样，我们想造一个直达外太空的电梯，最重要的是提供绳轨。所以，既然从头开始建造它是不现实的，那么我们…
你能像扔风筝一样从太空“扔”一根绳子吗？
也就是说，我们可以先发射一颗地球同步卫星，然后把绳子从卫星上延伸到地面，固定在地面的一端，形成太空电梯的轨道。
太空电梯概念图
哈！不需要建塔，只需要“几根绳子”！
正是这种逆向思维，让太空电梯显得不那么虚无缥缈。今天的太空电梯计划就是基于这个模型。
02.大林集团太空电梯计划
在众多太空电梯计划中，最引人注目的是2012年大林集团公布的太空电梯计划。
2012年2月，尤其擅长造塔的日本著名建筑公司大林集团宣布投资100亿美元建造太空电梯。预计电梯将以每小时200公里的速度运行，单程需要7天。计划2025年左右在赤道附近的海上开工，2050年左右建成投产。
然而，计划推出至今已有十年，前景似乎并不乐观。就连一直参与大林集团太空电梯研发的高级工程师石川洋二(Yoji Ishikawa)也承认，这个项目越尝试，难度就越大。
首先，不考虑所有外部因素，太空电梯主要由四部分组成:
电梯轿厢本体、轿厢本体上下移动所需的电缆轨道、固定地极电缆的海上基座、配重。
太空电梯结构
前三个看起来很好理解，但是为什么需要配重呢？
在刚才提到的太空电梯的想法中，我们必须从同步卫星上“抛出”电缆，并将其一直“悬挂”到地球上。然而，随着电缆逐渐降低，重力将大于离心力，因此电缆将在同步卫星上向内拉动。不就是让电缆立着，把原本稳定的同步卫星拖垮了吗？
为了解决这个问题，我们还必须在放下电缆的同时向上“扔”点东西，以产生一个向外的拉力来抵消卫星上电缆向内的拉力。向上扔的东西一定要重到足以稳定卫星。我们称之为配重。
然而，新的问题又来了！
电缆实际上并不是处于静止状态，而是随着同步卫星高速旋转，所需的巨大向心力可能会超过材料的拉伸极限，导致电缆自行脱落。
让我们深刻体会太空电梯对材料拉伸能力的要求有多高。
在地心参考系中，电缆简化为密度为ρ、截面为s的圆柱体，一端固定在地球同步卫星上，另一端固定在赤道近海基地上。考虑同步卫星轨道附近的一小段电缆，不考虑各种额外载荷，其受到的张力可计算如下:
如果用钢做太空电梯的缆绳，可以把上面的公式简化，代入钢的密度值，就可以估算出钢需要承受的最大应力至少要达到400 GPa。但实际上钢的抗拉强度只有400 MPa！
换句话说，即使缆绳是钢制的，在强大的重力作用下也会直接变形。
至此，我们遇到了一个极其困难的问题:如何找到一种密度低但抗拉强度高的材料？
03.太空电梯的电缆问题
目前最有可能满足上述要求的是碳纳米管:由碳原子组成的管状纳米材料，是理论机械强度最高、韧性最好的材料。
碳纳米管结构
碳纳米管的密度约为1700 kg/㎡。如果用碳纳米管做太空电梯的缆绳，碳纳米管的抗拉强度至少要达到90 GPa。
目前我们在实验中可以合成的碳纳米管的拉伸强度可以达到200 GPa；即使是理想结构的单壁碳纳米管，其拉伸强度也能达到800 GPa。
这样，只要我们生产出几万公里长的碳纳米管，从同步卫星上挂下来，固定在赤道附近的海上基站上，问题就解决了！
然而，我们探索太空电梯的道路注定是坎坷的。
1991年，日本科学家饭岛诚男发现并命名了碳纳米管，为受困于瓶颈的太空电梯构想注入了最新鲜的血液，许多研究团队重新拾起了太空电梯计划。
然而，人们很快发现，由于制备工艺的限制，实际制备的碳纳米管长度只有几毫米，并且存在大量的结构缺陷。
唉，好像又走进死胡同了…
但俗话说，千帆在沉船的一侧，万木春在病树的前面。
2013年，清华大学费薇教授团队将每毫米生长碳纳米管的催化剂活性概率提高到99.5%以上后，成功制备出单根结构完美、长度超过半米的碳纳米管。
目前，他们正在开发长度超过一千米的碳纳米管。
看来，我们的太空梯已经迎来了一丝曙光！
04、太空电梯的实际困境
你可能已经意识到，我们刚刚讨论的是最简单的物理模型。一旦我们真的要考虑项目建设，就需要解决很多实际问题。
比如针对生活中使用的各种高压线，时间长了会磨损，我们自然会提出这样的问题:
碳纳米管制成的电缆有多耐用？
毕竟，如果电缆容易损坏，即使电梯造好了也没用。
为了测试碳纳米管的耐久性，2015年，日本大林集团将碳纳米管样品送到了位于地表400公里以上的日本实验舱。
日本的“希望”实验舱
在太空放置两年后，样品被带回地球。经过分析，研究人员发现碳纳米管的表面已经被原子氧破坏。
要知道，400公里的高度属于大气层中的热层，空气极其稀薄。即便如此，碳纳米管在两年内就被破坏了。
可想而知，直接暴露在对流层最低层的电缆将面临更严峻的考验。
除了被原子氧摧毁，还需要面对各种可能的风吹雨打，日晒雨淋，甚至可能遭遇雷电、飓风等各种极端气候。
提高电缆耐久性的研究显然充满了困难，但只要道路不堵，我们就不会停止探索。
当然，除了耐久性问题，还有很多问题等着我们去解决…
比如如何保证电梯轿厢有足够的动力支持从地面上升到空间站？
如果太空电梯的动力系统在半途突然出现故障，那简直就是高空生存惊悚场景，想想都让人不寒而栗。
如果电梯这时停下来，...
再比如，如何让太空电梯自动避开太空垃圾和一些可能撞上的卫星？
一旦及时避开，后果不堪设想。
真的验证了那句话:
太空电梯，越试越难。
05.为什么我们对太空电梯如此着迷？
这时候你很可能会问，既然建造太空电梯这么难，为什么我们还执着于这个看似不可能的想法？
因为我们向往星辰大海。
咳咳，不扯这些，说点实际的:
在目前的国际商业卫星发射中，每公斤载荷的运输成本在2万到2万美元之间。假设边肖想去太空旅行，至少要花10万美元。
假设太空电梯能够建造成功，不考虑初期建造成本，根据日本大林集团的估算，每公斤载荷的运输成本约为200美元！
换句话说，边肖只需要花大约7万元人民币去太空旅行！
太空电梯建成后，除了让太空旅游触手可及，还可以低成本运输地球和太空上的物资。
这可能会成为人类太空探索史上最感人的转折点！
06.在有生之年
现在，请抬头看看天空，想象一下。
每一个看似黯淡的一秒，都是历史诞生的见证。
在你的有生之年，你会看到一架宏大的天梯，它会冲破遥远的云层，会继续奔向地球表面，最终穿越世界，美丽古今。
来源:流浪地球2预告片
想到这里，我真的泪流满面。
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