建造“流离地球”的太空电梯，总共分几步？
片子《流离地球2》中的太空电梯
“密斯们，先生们，太空电梯即将到达失重空间站，请做好预备，从右侧梯门下梯。”
假设我说，有一天你将亲耳闻声如许的播报声，你相信吗？
太空电梯从何而来
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设想：
用液体做为火箭燃料；
宇宙空间中反感化力是挪动的独一办法；
将两节以上的火箭串联起来，构成一列多级火箭以进步火箭的速度。
在一百多年后的今天，那些想象，都已经成为了航天范畴的重要利用。
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康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基
然而，他在1895年提出的一个想象，却至今仍未实现。
那个想象，其实很纯朴：
他提议在空中上建立一座超高高高的铁塔，不断建到地球同步轨道为行，在铁塔内架设电梯，于是我们即可以搭着电梯进进外太空。
初代太空电梯概念图
那，即是太空电梯的雏形。
如许的铁塔构造，是不是觉得似曾了解？
现实上，那就是齐奥尔科夫斯基在参观点国埃菲尔铁塔时遭到的启发！
如许的设想，也与我们对电梯的认知最为接近，但是……
地球同步轨道间隔我们有35786000米，目宿世界上更高的建筑，是位于迪拜的哈利法塔，高度却只要828米...
如许一看，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，快来想想怎么处理那个难题！
假设一时半会儿没有构想的话，先试着答复下面那个问题：
新年第一问
假设，我让你把一只风筝放到250米的高空，除了在空中上奔驰，不竭放长线绳，将风筝放飞到空中外，还能怎么做？
你能够坐曲升机到更高空，将风筝扔出，渐渐放线，让风筝抵达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，那都不是重点(我才不认可那个类比很不严谨)！
重点是，逆向思维！
同样的，我们想要建造一座中转外太空的电梯，最重要的就是需要供给绳索轨道，那么，既然从空中向上建造不现实，那我们……
能不克不及从太空中"扔"下绳索，就像扔风筝一样？
也就是说，我们能够先发射一颗地球同步卫星，然后从卫星上伸出绳索"垂"到空中上，在空中一端固定，构成太空电梯的运行轨道。
太空电梯理念图 (图源NASA)
哈！那下不消建塔了，只需要"几根绳索"就行了！
恰是如许的逆向思维，使得太空电梯显得不那么镜花水月，现在的太空电梯方案，都是基于那个模子。
大林组太空电梯方案
在浩瀚太空电梯方案中，出格受人注目的，是大林组在2012年公布的太空电梯方案。
2012年2月，出格擅长建高塔的日本闻名建筑公司大林组，公布要投资100亿美圆建立太空电梯，估量电梯时速200公里，单程需要7天，方案2025年摆布在赤道四周的海上开工，2050年摆布落成运营。
大林组官网概念图
然而，间隔方案启动已颠末往了十年之久，前景似乎不容乐看，就连大林组公司内部，不断参与太空电梯研发的高级工程师石川洋二都坦言：那个项目越是测验考试，就越是困难。
起首，不考虑一切外部因素，太空电梯次要由四部门构成：
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。
太空电梯构造
前面三个似乎很随便理解，但为什么还需要配重呢？
在刚刚提到的太空电梯想象中，我们要从同步卫星上"扔"下缆绳，不断"垂"到地球上，可跟着缆绳逐步下放，遭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，就把本来不变的同步卫星给拽下来了？
为领会决那个问题，我们在向下放缆绳的同时，也必需向上“扔”工具，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”的工具必需足够重，可以把卫星给稳住，我们把它称为配重。
可是，新问题又来了！
缆绳现实并非静行的形态，而是在跟着同步卫星一路高速动弹，所需的浩荡向心力可能会超越素材的抗拉极限，招致缆绳本身把本身甩断。
我们来深切体味一下，太空电梯对素材抗拉才能的要求，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四周的一小段缆绳，不考虑各类额外的载重，它遭到的拉力能够如许计算：
假设我们用钢做为太空电梯的缆绳，将上式简化变形，代进钢的密度值，能够预算得到钢需要承担的更大应力至少要到达400 GPa。但现实上，钢的抗拉强度只要400 MPa！
也就是说，即使是用钢来做缆绳，也会间接在强大的引力感化下变形。
至此，我们碰着了反常棘手的问题：若何找到密度小，但抗拉强度大的素材？
太空电梯的缆绳难题
目前，最有可能称心上述要求的是碳纳米管：由碳原子构成的管状构造纳米素材，那是目前已知的理论上力学强度更高和韧性更好的素材。
碳纳米管构造
碳纳米管的密度大约是1700 kg/㎡，代进上面公式计算，得到假设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到达90 GPa。
目前，我们可以在尝试中合成的碳纳米管的抗拉强度能够到达200GPa；以至，关于具有抱负构造的单壁碳纳米管而言，其抗拉强度能够到达800 GPa。
如许看来，我们只要消费出几万公里长的碳纳米管，把它从同步卫星上"悬挂"下来，固定到赤道四周的海上基站，问题不就迎刃而解了！
然而，我们摸索太空电梯的道路，必定坎坷不服。
1991年，日本科学家饭岛澄男发现并定名了碳纳米管，给陷进瓶颈的太空电梯想象注进了最新鲜的血液，许多研究团队都从头拾起了太空电梯方案。
可是，各人很快就发现，因为造备工艺的限造，现实可以造备出的碳纳米管长度只要几毫米，且存在大量构造缺陷。
唉，似乎又走到了死胡同……
但正所谓，沉船侧畔千帆过，病树前头万木春。
2013年，清华大学魏飞传授团队，将生长每毫米长度碳纳米管的催化剂活性概率进步到99.5%以上后，胜利造备出了单根长度超越半米，且具有完美构造的碳纳米管。
目前，他们正在研造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！
太空电梯的现实窘境
你也许已经意识到了，刚刚讨论的都是最简单的物理模子，一旦实的要考虑项目建立，就需要处理良多的现实问题。
例如，鉴于生活顶用到的各类高压电线，时间久了就会磨损，我们很天然地会提出如许的疑问：
用碳纳米管做的缆绳，耐久性若何？
事实，假设缆绳很随便破损，那那电梯即使建好了，也是白费。
为了查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公里四周的日本尝试舱内。
样品被放置在太空中2年后，又被从头带回地球。研究人员阐发后发现，碳纳米管的外表，已经被原子形态的氧毁坏。
要晓得，400公里高度属于大气层中的热层，空气已经极其稀薄，即使是如许，2年的时间也已经毁坏了碳纳米管。
能够想象，间接表露在更低端对流层内的缆绳，会面对着愈加严格的考验。
除了被原子形态的氧毁坏，还需要面临各类可能的风吹日晒雨淋，以至可能碰上闪电、飓风等各类极端天气…….
进步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，我们就不会停下摸索的程序。
当然，除了耐久性问题以外，还有一大堆难题，在期待着我们往处理……
例如，若何包管电梯厢体有足够的动力撑持，能够不断从空中升到太空站?
假设升到一半的时候，太空电梯的动力系统突然失灵，几乎就是高空求生惊悚片现场，想想都不冷而栗。
假设电梯停在那霎时…………（图源：流离地球2预告片）
再好比，若何让太空电梯主动遁藏太空碎片和一些可能碰上来的卫星？
一旦遁藏不及时，形成的后果，不可思议。
实可谓验证了那句话：
太空电梯，越是测验考试，越是困难。
我们为什么固执于太空电梯
那个时候，你很可能要问，既然建造太空电梯那么困难，那为什么我们还不断固执于那看似不成能的想象呢？
因为，我们憧憬星辰大海。
当然，还有一些现实原因：
目前的国际贸易卫星发射中，每千克载荷的运输成本在2千－2万美圆之间。假设小编想要往太空游览一趟，至少需要10万美圆。
假设太空电梯能够建立胜利，不考虑初期建立成本，根据日本大林组的预估，每千克载荷的运输成本约为200美圆！
也就是说，小编只需要破费7万摆布人民币，就能够往太空游览了！
建成太空电梯后，除了让太空看光变得触手可及外，我们还可以低成当地在地球和太空间运输物资。
那，也许会成为人类太空摸索史上，最扣人心弦的转折点！
有生之年
如今，请你仰看天空，想象一下。
看似寡淡的每一秒，都在亲证，汗青的降生。
有生之年，你将看到一座浩荡的天梯，穿破远远的云层，以摧枯拉朽之势，不竭得冲向地表，最末横贯六合，艳绝古今。
图源：流离地球2预告片
想到那儿，我实的热泪盈眶。
（原题目：建造“流离地球”的太空电梯，总共分几步？）
来源：中科院物理所