电影《流浪地球2》中的太空电梯

“女士们，先生们，太空电梯即将达到失重空间站，请做好准备，从右侧梯门下梯。”

“Ladies and gentlmen, we are approaching space station. Please prepare to get off the elevator. The door will be open at the right side.”

如果我说，有一天你将亲耳听见这样的播报声，你相信吗？



01

太空电梯从何而来

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20世纪初，被誉为“航天之父“的俄国科学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基提出过几大构想：

用液体作为火箭燃料；

宇宙空间中反作用力是移动的唯一方法；

将两节以上的火箭串联起来，组成一列多级火箭以提高火箭的速度。

在一百多年后的今天，这些设想，都已经成为了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年提出的一个设想，却至今仍未实现。

这个设想，其实很朴素：

他提议在地面上建设一座超高高高的铁塔，一直建到地球同步轨道为止，在铁塔内架设电梯，于是我们便可以搭着电梯进入外太空。



初代太空电梯概念图

这，便是太空电梯的雏形。

这样的铁塔结构，是不是感觉似曾相识？

实际上，这就是齐奥尔科夫斯基在参观法国埃菲尔铁塔时受到的启发！

这样的构想，也与我们对电梯的认知最为接近，但是…



地球同步轨道距离我们有35786000米，目前世界上最高的建筑，是位于迪拜的哈利法塔，高度却只有828米...        

这样一看，似乎太空电梯是没戏了？

别急！

此刻，你就是上世纪中叶的宇宙学家，快来想想怎么解决这个难题！



如果一时半会儿没有思路的话，先试着回答下面这个问题：

新年第一问

假如，我让你把一只风筝放到250米的高空，除了在地面上奔跑，不断放长线绳，将风筝放飞到空中外，还能怎么做？

答案：你可以坐直升机到更高空，将风筝扔出，慢慢放线，让风筝到达250米的半空。

不要问我为什么要放风筝，也不要问我风筝线会不会断，这都不是重点(我才不承认这个类比很不严谨)！



重点是，逆向思维！同样得，我们想要建造一座直达外太空的电梯，最重要的就是需要提供绳索轨道，那么，既然从地面向上建造不现实，那我们…

能不能从太空中"扔"下绳索，就像扔风筝一样？

也就是说，我们可以先发射一颗地球同步卫星，然后从卫星上伸出绳索"垂"到地面上，在地面一端固定，形成太空电梯的运行轨道。



太空电梯理念图  (图源NASA)

哈！这下不用建塔了，只需要"几根绳索"就行了！

正是这样的逆向思维，使得太空电梯显得不那么镜花水月，如今的太空电梯计划，都是基于这个模型。

02

大林组太空电梯计划

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在众多太空电梯计划中，尤其受人瞩目的，是大林组在2012年宣布的太空电梯计划。

2012年2月，尤其擅长建高塔的日本著名建筑公司大林组，宣布要投资100亿美元建设太空电梯，预计电梯时速200公里，单程需要7天，计划2025年左右在赤道附近的海上开工，2050年左右落成运营。



大林组官网概念图

然而，距离计划启动已经过去了十年之久，前景似乎不容乐观，就连大林组公司内部，一直参与太空电梯研发的高级工程师石川洋二都坦言：这个项目越是尝试，就越是困难。

首先，不考虑一切外部因素，太空电梯主要由四部分构成：

电梯的厢体、厢体上下运动所需的缆绳轨道、用于在地球端固定缆绳的海上基地，以及配重。



太空电梯结构

前面三个似乎很容易理解，但为什么还需要配重呢？

在刚刚提到的太空电梯设想中，我们要从同步卫星上"扔"下缆绳，一直"垂"到地球上，可随着缆绳逐渐下放，受到的万有引力会大于离心力，于是缆绳会对同步卫星产生向内的拉力，那岂不是缆绳放着放着，就把原本稳定的同步卫星给拽下来了？

为了解决这个问题，我们在向下放缆绳的同时，也必须向上”扔”东西，产生一个向外的拉力，以此抵消缆绳对卫星向内的拉力。向上”扔”的东西必须足够重，能够把卫星给稳住，我们把它称为配重。

可是，新问题又来了！

缆绳实际并不是静止的状态，而是在随着同步卫星一起高速转动，所需的巨大向心力可能会超过材料的抗拉极限，导致缆绳自己把自己甩断。

我们来深切体会一下，太空电梯对材料抗拉能力的要求，到底有多苛刻。

在地心参考系中，将缆绳简化成圆柱状，密度是ρ，横截面是S，一端固定于地球同步卫星，另一端固定于赤道海上基地。考虑在同步卫星轨道附近的一小段缆绳，不考虑各种额外的载重，它受到的拉力可以这样计算：



如果我们用钢作为太空电梯的缆绳，将上式简化变形，代入钢的密度值，可以估算得到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！

也就是说，即便是用钢来做缆绳，也会直接在强大的引力作用下变形。

至此，我们遇到了异常棘手的问题：如何找到密度小，但抗拉强度大的材料？

03

太空电梯的缆绳难题

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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结构纳米材料，这是目前已知的理论上力学强度最高和韧性最好的材料。



碳纳米管结构

碳纳米管的密度大约是1700 kg/㎡，代入上面公式计算，得到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，我们能够在实验中合成的碳纳米管的抗拉强度可以达到200 GPa；甚至，对于具有理想结构的单壁碳纳米管而言，其抗拉强度可以达到800 GPa。

这样看来，我们只要生产出几万公里长的碳纳米管，把它从同步卫星上"悬挂"下来，固定到赤道附近的海上基站，问题不就迎刃而解了！



然而，我们探索太空电梯的道路，注定崎岖不平。

1991年，日本科学家饭岛澄男发现并命名了碳纳米管，给陷入瓶颈的太空电梯设想注入了最鲜活的血液，许多研究团队都重新拾起了太空电梯计划。

可是，大家很快就发现，由于制备工艺的限制，实际能够制备出的碳纳米管长度只有几毫米，且存在大量结构缺陷。

唉，似乎又走到了死胡同…



但正所谓，沉舟侧畔千帆过，病树前头万木春。

2013年，清华大学魏飞教授团队，将生长每毫米长度碳纳米管的催化剂活性概率提高到99.5%以上后，成功制备出了单根长度超过半米，且具有完美结构的碳纳米管。

目前，他们正在研制长度在千米级以上的碳纳米管。

我们的太空天梯，似乎，迎来了一线曙光！

04

太空电梯的实际窘境

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你也许已经意识到了，刚刚讨论的都是最简单的物理模型，一旦真的要考虑项目建设，就需要解决很多的实际问题。

例如，鉴于生活中用到的各种高压电线，时间久了就会磨损，我们很自然地会提出这样的疑问：

用碳纳米管做的缆绳，耐久性如何？

毕竟，如果缆绳很容易破损，那这电梯即便建好了，也是白搭。

为了检验碳纳米管的耐久性，日本大林组于2015年，将碳纳米管样品送到了位于地表上空400公里附近的日本实验舱内。

   

                日本“希望号”实验舱

样品被放置在太空中2年后，又被重新带回地球。研究人员分析后发现，碳纳米管的表面，已经被原子状态的氧破坏。

要知道，400公里高度属于大气层中的热层，空气已经极其稀薄，即便是这样，2年的时间也已经破坏了碳纳米管。

可以想象，直接暴露在最低端对流层内的缆绳，会面临着更加严峻的考验。

除了被原子状态的氧破坏，还需要面对各种可能的风吹日晒雨淋，甚至可能碰上闪电、飓风等各种极端气候….

提高缆绳耐久性方面的研究，显然又是困难重重，但只要路没被堵死，我们就不会停下探索的步伐。



当然，除了耐久性问题以外，还有一大堆难题，在等待着我们去解决…

例如，如何保证电梯厢体有足够的动力支持，可以一直从地面升到太空站?

如果升到一半的时候，太空电梯的动力系统突然失灵，简直就是高空求生惊悚片现场，想想都不寒而栗。

 

                              假如电梯停在这瞬间...（图源：流浪地球2预告片）

再比如，如何让太空电梯自动躲避太空碎片和一些可能撞上来的卫星？

一旦躲避不及时，造成的后果，难以想象。

真可谓验证了那句话：

太空电梯，越是尝试，越是困难。

05

我们为什么执着于太空电梯

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这个时候，你很可能要问，既然建造太空电梯这么困难，那为什么我们还一直执着于这看似不可能的设想呢？

因为，我们向往星辰大海。



咳咳咳，不扯这些，说点实际的：

目前的国际商业卫星发射中，每千克载荷的运输成本在2千－2万美元之间。假设小编想要去太空旅行一趟，至少需要10万美元。



假设太空电梯可以建设成功，不考虑初期建设成本，根据日本大林组的预估，每千克载荷的运输成本约为200美元！

也就是说，小编只需要花费7万左右人民币，就可以去太空旅行了！

建成太空电梯后，除了让太空观光变得触手可及外，我们还能够低成本地在地球和太空间运输物资。

这，也许会成为人类太空探索史上，最动人心魄的转折点！

06

有生之年

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现在，请你仰望天空，想象一下。

看似寡淡的每一秒，都在亲证，历史的诞生。

有生之年，你将看到一座宏大的天梯，穿破遥远的云层，以摧枯拉朽之势，不断得冲向地表，最终横贯天地，艳绝古今。

 

          图源：流浪地球2预告片

想到这儿，我真的热泪盈眶。