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建造《流浪地球2》的太空電梯，總共分幾步？

 skysun000001 2023-01-24 發(fā)布于北京
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電影《流浪地球2》中的太空電梯

“女士們，先生們，太空電梯即將達到失重空間站，請做好準備，從右側(cè)梯門下梯?！?/span>

“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播報聲，你相信嗎？

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01

太空電梯從何而來

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20世紀初，被譽為“航天之父“的俄國科學家康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基提出過幾大構(gòu)想：

用液體作為火箭燃料；

宇宙空間中反作用力是移動的唯一方法；

將兩節(jié)以上的火箭串聯(lián)起來，組成一列多級火箭以提高火箭的速度。

在一百多年后的今天，這些設(shè)想，都已經(jīng)成為了航天領(lǐng)域的重要應(yīng)用。

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 康斯坦丁·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)。

這個設(shè)想，其實很樸素：

他提議在地面上建設(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，于是我們便可以搭著電梯進入外太空。

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初代太空電梯概念圖

這，便是太空電梯的雛形。

這樣的鐵塔結(jié)構(gòu)，是不是感覺似曾相識？

實際上，這就是齊奧爾科夫斯基在參觀法國埃菲爾鐵塔時受到的啟發(fā)！

這樣的構(gòu)想，也與我們對電梯的認知最為接近，但是…

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地球同步軌道距離我們有35786000米，目前世界上最高的建筑，是位于迪拜的哈利法塔，高度卻只有828米...       
 
這樣一看，似乎太空電梯是沒戲了？

別急！

此刻，你就是上世紀中葉的宇宙學家，快來想想怎么解決這個難題！

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如果一時半會兒沒有思路的話，先試著回答下面這個問題：

新年第一問

點擊空白處查看答案

假如，我讓你把一只風箏放到250米的高空，除了在地面上奔跑，不斷放長線繩，將風箏放飛到空中外，還能怎么做？

你可以坐直升機到更高空，將風箏扔出，慢慢放線，讓風箏到達250米的半空。

新年第一問丨點擊空白處出現(xiàn)答案

不要問我為什么要放風箏，也不要問我風箏線會不會斷，這都不是重點(我才不承認這個類比很不嚴謹)！

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重點是，逆向思維！
同樣得，我們想要建造一座直達外太空的電梯，最重要的就是需要提供繩索軌道，那么，既然從地面向上建造不現(xiàn)實，那我們…

能不能從太空中'扔'下繩索，就像扔風箏一樣？

也就是說，我們可以先發(fā)射一顆地球同步衛(wèi)星，然后從衛(wèi)星上伸出繩索'垂'到地面上，在地面一端固定，形成太空電梯的運行軌道。

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太空電梯理念圖  (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，使得太空電梯顯得不那么鏡花水月，如今的太空電梯計劃，都是基于這個模型。

02

大林組太空電梯計劃

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在眾多太空電梯計劃中，尤其受人矚目的，是大林組在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上開工，2050年左右落成運營。

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大林組官網(wǎng)概念圖

然而，距離計劃啟動已經(jīng)過去了十年之久，前景似乎不容樂觀，就連大林組公司內(nèi)部，一直參與太空電梯研發(fā)的高級工程師石川洋二都坦言：這個項目越是嘗試，就越是困難。

首先，不考慮一切外部因素，太空電梯主要由四部分構(gòu)成：

電梯的廂體、廂體上下運動所需的纜繩軌道、用于在地球端固定纜繩的海上基地，以及配重。

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太空電梯結(jié)構(gòu)

前面三個似乎很容易理解，但為什么還需要配重呢？

在剛剛提到的太空電梯設(shè)想中，我們要從同步衛(wèi)星上'扔'下纜繩，一直'垂'到地球上，可隨著纜繩逐漸下放，受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)生向內(nèi)的拉力，那豈不是纜繩放著放著，就把原本穩(wěn)定的同步衛(wèi)星給拽下來了？

為了解決這個問題，我們在向下放纜繩的同時，也必須向上”扔”東西，產(chǎn)生一個向外的拉力，以此抵消纜繩對衛(wèi)星向內(nèi)的拉力。向上”扔”的東西必須足夠重，能夠把衛(wèi)星給穩(wěn)住，我們把它稱為配重。

可是，新問題又來了！

纜繩實際并不是靜止的狀態(tài)，而是在隨著同步衛(wèi)星一起高速轉(zhuǎn)動，所需的巨大向心力可能會超過材料的抗拉極限，導致纜繩自己把自己甩斷。

我們來深切體會一下，太空電梯對材料抗拉能力的要求，到底有多苛刻。

在地心參考系中，將纜繩簡化成圓柱狀，密度是ρ，橫截面是S，一端固定于地球同步衛(wèi)星，另一端固定于赤道海上基地。考慮在同步衛(wèi)星軌道附近的一小段纜繩，不考慮各種額外的載重，它受到的拉力可以這樣計算：

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如果我們用鋼作為太空電梯的纜繩，將上式簡化變形，代入鋼的密度值，可以估算得到鋼需要承受的最大應(yīng)力至少要達到400 GPa。但實際上，鋼的抗拉強度只有400 MPa！

也就是說，即便是用鋼來做纜繩，也會直接在強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，但抗拉強度大的材料？

03

太空電梯的纜繩難題

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目前，最有可能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)納米材料，這是目前已知的理論上力學強度最高和韌性最好的材料。

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碳納米管結(jié)構(gòu)

碳納米管的密度大約是1700 kg/㎡，代入上面公式計算，得到如果用碳納米管做太空電梯的纜繩，碳納米管的抗拉強度至少要達到90 GPa。

目前，我們能夠在實驗中合成的碳納米管的抗拉強度可以達到200 GPa；甚至，對于具有理想結(jié)構(gòu)的單壁碳納米管而言，其抗拉強度可以達到800 GPa。

這樣看來，我們只要生產(chǎn)出幾萬公里長的碳納米管，把它從同步衛(wèi)星上'懸掛'下來，固定到赤道附近的海上基站，問題不就迎刃而解了！

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然而，我們探索太空電梯的道路，注定崎嶇不平。

1991年，日本科學家飯島澄男發(fā)現(xiàn)并命名了碳納米管，給陷入瓶頸的太空電梯設(shè)想注入了最鮮活的血液，許多研究團隊都重新拾起了太空電梯計劃。

可是，大家很快就發(fā)現(xiàn)，由于制備工藝的限制，實際能夠制備出的碳納米管長度只有幾毫米，且存在大量結(jié)構(gòu)缺陷。

唉，似乎又走到了死胡同…

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但正所謂，沉舟側(cè)畔千帆過，病樹前頭萬木春。

2013年，清華大學魏飛教授團隊，將生長每毫米長度碳納米管的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千米級以上的碳納米管。

我們的太空天梯，似乎，迎來了一線曙光！


04

太空電梯的實際窘境

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你也許已經(jīng)意識到了，剛剛討論的都是最簡單的物理模型，一旦真的要考慮項目建設(shè)，就需要解決很多的實際問題。

例如，鑒于生活中用到的各種高壓電線，時間久了就會磨損，我們很自然地會提出這樣的疑問：

用碳納米管做的纜繩，耐久性如何？

畢竟，如果纜繩很容易破損，那這電梯即便建好了，也是白搭。

為了檢驗碳納米管的耐久性，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公里附近的日本實驗艙內(nèi)。

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日本“希望號”實驗艙

樣品被放置在太空中2年后，又被重新帶回地球。研究人員分析后發(fā)現(xiàn)，碳納米管的表面，已經(jīng)被原子狀態(tài)的氧破壞。

要知道，400公里高度屬于大氣層中的熱層，空氣已經(jīng)極其稀薄，即便是這樣，2年的時間也已經(jīng)破壞了碳納米管。

可以想象，直接暴露在最低端對流層內(nèi)的纜繩，會面臨著更加嚴峻的考驗。

除了被原子狀態(tài)的氧破壞，還需要面對各種可能的風吹日曬雨淋，甚至可能碰上閃電、颶風等各種極端氣候….

提高纜繩耐久性方面的研究，顯然又是困難重重，但只要路沒被堵死，我們就不會停下探索的步伐。

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當然，除了耐久性問題以外，還有一大堆難題，在等待著我們?nèi)ソ鉀Q…

例如，如何保證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，太空電梯的動力系統(tǒng)突然失靈，簡直就是高空求生驚悚片現(xiàn)場，想想都不寒而栗。

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 假如電梯停在這瞬間...
（圖源：流浪地球2預(yù)告片）

再比如，如何讓太空電梯自動躲避太空碎片和一些可能撞上來的衛(wèi)星？

一旦躲避不及時，造成的后果，難以想象。

真可謂驗證了那句話：

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

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這個時候，你很可能要問，既然建造太空電梯這么困難，那為什么我們還一直執(zhí)著于這看似不可能的設(shè)想呢？

因為，我們向往星辰大海。

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咳咳咳，不扯這些，說點實際的：

目前的國際商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射中，每千克載荷的運輸成本在2千－2萬美元之間。假設(shè)小編想要去太空旅行一趟，至少需要10萬美元。

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假設(shè)太空電梯可以建設(shè)成功，不考慮初期建設(shè)成本，根據(jù)日本大林組的預(yù)估，每千克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，就可以去太空旅行了！

建成太空電梯后，除了讓太空觀光變得觸手可及外，我們還能夠低成本地在地球和太空間運輸物資。

這，也許會成為人類太空探索史上，最動人心魄的轉(zhuǎn)折點！

06

有生之年

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現(xiàn)在，請你仰望天空，想象一下。

看似寡淡的每一秒，都在親證，歷史的誕生。

有生之年，你將看到一座宏大的天梯，穿破遙遠的云層，以摧枯拉朽之勢，不斷得沖向地表，最終橫貫天地，艷絕古今。

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圖源：流浪地球2預(yù)告片

想到這兒，我真的熱淚盈眶。

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