建造《流浪地球2》的太空電梯，總共分幾步？_風聞
中科院物理所-中科院物理所官方账号-01-25 20:18
原創：中科院物理所
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，從右側梯門下梯。”
“Ladies and gentlmen, we are approaching space station. Please prepare to get off the elevator. The door will be open at the right side.”
如果我説，有一天你將親耳聽見這樣的播報聲，你相信嗎？
01
太空電梯從何而來
✦
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；
將兩節以上的火箭串聯起來，組成一列多級火箭以提高火箭的速度。
在一百多年後的今天，這些設想，都已經成為了航天領域的重要應用。
康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基
然而，他在1895年提出的一個設想，卻至今仍未實現****。
這個設想，其實很樸素：
他提議在地面上建設一座超高高高的鐵塔，一直建到地球同步軌道為止，在鐵塔內架設電梯，於是我們便可以搭着電梯進入外太空。
初代太空電梯概念圖
這，便是太空電梯的雛形。
這樣的鐵塔結構，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啓發！
這樣的構想，也與我們對電梯的認知最為接近，但是…
地球同步軌道距離我們有35786000米，目前世界上最高的建築，是位於迪拜的哈利法塔，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，快來想想怎麼解決這個難題！
如果一時半會兒沒有思路的話，先試着回答下面這個問題：
新年第一問
假如，我讓你把一隻風箏放到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，還能怎麼做？
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。
不要問我為什麼要放風箏，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)！
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，那麼，既然從地面向上建造不現實，那我們…
能不能從太空中"扔"下繩索，就像扔風箏一樣？
也就是説，我們可以先發射一顆地球同步衞星，然後從衞星上伸出繩索"垂"到地面上，在地面一端固定，形成太空電梯的運行軌道。
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麼鏡花水月，如今的太空電梯計劃，都是基於這個模型。
02
大林組太空電梯計劃
✦
在眾多太空電梯計劃中，尤其受人矚目的，是大林組在2012年宣佈的太空電梯計劃。
2012年2月，尤其擅長建高塔的日本著名建築公司大林組，宣佈要投資100億美元建設太空電梯，預計電梯時速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。
大林組官網概念圖
然而，距離計劃啓動已經過去了十年之久，前景似乎不容樂觀，就連大林組公司內部，一直參與太空電梯研發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成：
電梯的廂體、廂體上下運動所需的纜繩軌道、用於在地球端固定纜繩的海上基地，以及配重。
太空電梯結構
前面三個似乎很容易理解，但為什麼還需要配重呢？
在剛剛提到的太空電梯設想中，我們要從同步衞星上"扔"下纜繩，一直"垂"到地球上，可隨着纜繩逐漸下放，受到的萬有引力會大於離心力，於是纜繩會對同步衞星產生向內的拉力，那豈不是纜繩放着放着，就把原本穩定的同步衞星給拽下來了？
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，產生一個向外的拉力，以此抵消纜繩對衞星向內的拉力。向上”扔”的東西必須足夠重，能夠把衞星給穩住，我們把它稱為配重。
可是，新問題又來了！
纜繩實際並不是靜止的狀態，而是在隨着同步衞星一起高速轉動，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，一端固定於地球同步衞星，另一端固定於赤道海上基地。考慮在同步衞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：
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！
也就是説，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
✦
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構納米材料，這是目前已知的理論上力學強度最高和韌性最好的材料。
碳納米管結構
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，對於具有理想結構的單壁碳納米管而言，其抗拉強度可以達到800 GPa。
這樣看來，我們只要生產出幾萬公里長的碳納米管，把它從同步衞星上"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！
然而，我們探索太空電梯的道路，註定崎嶇不平。
1991年，日本科學家飯島澄男發現並命名了碳納米管，給陷入瓶頸的太空電梯設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，大家很快就發現，由於製備工藝的限制，實際能夠製備出的碳納米管長度只有幾毫米，且存在大量結構缺陷。
唉，似乎又走到了死衚衕…
但正所謂，沉舟側畔千帆過，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%以上後，成功製備出了單根長度超過半米，且具有完美結構的碳納米管。
目前，他們正在研製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
✦
你也許已經意識到了，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，就需要解決很多的實際問題。
例如，鑑於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，日本大林組於2015年，將碳納米管樣品送到了位於地表上空400公里附近的日本實驗艙內。
日本“希望號”實驗艙
樣品被放置在太空中2年後，又被重新帶回地球。研究人員分析後發現，碳納米管的表面，已經被原子狀態的氧破壞。
要知道，400公里高度屬於大氣層中的熱層，空氣已經極其稀薄，即便是這樣，2年的時間也已經破壞了碳納米管。
可以想象，直接暴露在最低端對流層內的纜繩，會面臨着更加嚴峻的考驗。
除了被原子狀態的氧破壞，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。
當然，除了耐久性問題以外，還有一大堆難題，在等待着我們去解決…
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突然失靈，簡直就是高空求生驚悚片現場，想想都不寒而慄。
假如電梯停在這瞬間…
（圖源：流浪地球2預告片）
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衞星？
一旦躲避不及時，造成的後果，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
我們為什麼執着於太空電梯
✦
這個時候，你很可能要問，既然建造太空電梯這麼困難，那為什麼我們還一直執着於這看似不可能的設想呢？
因為，我們嚮往星辰大海。
咳咳咳，不扯這些，説點實際的：
目前的國際商業衞星發射中，每千克載荷的運輸成本在2千－2萬美元之間。假設小編想要去太空旅行一趟，至少需要10萬美元。
假設太空電梯可以建設成功，不考慮初期建設成本，根據日本大林組的預估，每千克載荷的運輸成本約為200美元！
也就是説，小編只需要花費7萬左右人民幣，就可以去太空旅行了！
建成太空電梯後，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，最動人心魄的轉折點！
06
有生之年
✦
現在，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，穿破遙遠的雲層，以摧枯拉朽之勢，不斷得衝向地表，最終橫貫天地，豔絕古今。
圖源：流浪地球2預告片
想到這兒，我真的熱淚盈眶。