太空电梯图片-太空电梯图片全景-太空电梯图片简笔画
电影《流浪地球2》中的太空电梯女士们，先生们。太空电梯将要到达失重空间站啦。请大家做好准备哦。然后从右侧梯门下去就可以啦。
如果我说，有一天你将亲耳听见这样的播报声，你相信吗？
1、太空电梯从何而来
3. 多级火箭可以提高火箭的运载能力。
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；
把两节及以上的火箭依次连接起来，形成一列由多级火箭构成的组合，以此来提升火箭的速度。
一百多年后的今天，这些设想已然成为了航天领域的重要应用。 这些设想在一百多年后的今天，都已变为航天领域的重要应用。 一百多年后的现今，这些设想都已成为航天领域的重要应用。 一百多年后的当下，这些设想都已成为航天领域的重要应用。 一百多年后的此刻，这些设想都已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年提出的一个设想，却至今仍未实现。
这个设想，其实很朴素：
他提议建设一座铁塔，这座铁塔要建得非常高，一直建到地球同步轨道的高度。然后在铁塔内部架设电梯，这样我们就能够通过乘坐电梯进入外太空。
初代太空电梯概念图
这是太空电梯的雏形。这样的铁塔结构，会让人感觉似曾相识。实际上，齐奥尔科夫斯基在参观法国埃菲尔铁塔时获得了启发。这样的构想与我们对电梯的认知最为接近，然而……
地球同步轨道距离我们米。目前世界上最高的建筑是位于迪拜的哈利法塔，其高度仅为 828 米。
这样一看，似乎太空电梯是没戏了？
别急！
此刻，你处于上世纪中叶宇宙学家的角色之中。快来思考如何解决这个难题吧！
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
点击空白处查看答案
假如让你把一只风筝放到 250 米的高空，除了在地面奔跑并不断放长线绳使风筝飞入空中外，还能有什么其他做法呢？
你能够乘坐直升机抵达更高的空中位置。接着把风筝扔出去，然后缓缓地放出线来，使风筝到达 250 米的半空之中。
新年第一问丨点击空白处出现答案
不要问我为何要放风筝，也别问我风筝线是否会断，这些都不是关键所在（我坚决不承认这个类比很不严谨）！
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重点是逆向思维！同样地，要建造一座直达外太空的电梯，关键在于提供绳索轨道。既然从地面向上建造不切实际，那我们是否可以从太空中“扔”下绳索，就如同扔风筝那样？也就是说，我们可以先发射一颗地球同步卫星，接着让卫星伸出绳索并垂到地面上，在地面一端固定，以此形成太空电梯的运行轨道。
太空电梯理念图 (图源NASA)
哈！这下无需建塔啦，仅需“几根绳索”便足够啦！正是这种逆向思维，让太空电梯不再显得那般虚幻不实。如今的太空电梯计划，都是以这个模型为基础的。
2、大林组太空电梯计划
众多太空电梯计划中，备受瞩目的是大林组在 2012 年宣布的那项。2012 年 2 月，擅长建高塔的日本著名建筑公司大林组，宣布将投资 100 亿美元来建设太空电梯。此电梯预计时速为 200 公里，单程需 7 天。计划在 2025 年左右于赤道附近的海上开工，2050 年左右落成并开始运营。
大林组官网概念图
然而，计划启动已经过去了十年。前景似乎不乐观。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也坦言，这个项目尝试得越多，就越困难。
首先，不考虑任何外部因素。太空电梯主要由以下四部分构成：一是电梯的厢体；二是厢体上下运动所需要的缆绳轨道；三是用于在地球端固定缆绳的海上基地；四是配重。
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？
在刚才提及的太空电梯设想里，我们需从同步卫星处“抛下”缆绳，使其一直“垂”至地球。然而，随着缆绳逐渐下放，其所受的万有引力会大于离心力。这样一来，缆绳就会对同步卫星产生向内的拉力。那么，难道缆绳在下放的过程中，会把原本处于稳定状态的同步卫星给拉下来吗？
为解决此问题，我们在放缆绳的同时，需向上扔东西，以产生向外拉力，抵消缆绳对卫星向内的拉力。向上扔的东西需足够重，能稳住卫星，我们将其称作配重。
可是，新问题出现了！缆绳并非处于静止状态，而是在同步卫星的带动下高速转动。这种转动需要巨大的向心力，而这个向心力可能会超过缆绳材料的抗拉极限，从而导致缆绳自己断裂。
我们来深切感受一下，太空电梯对于材料抗拉能力的要求究竟是怎样的一种情况。太空电梯对材料抗拉能力的要求非常高，这种要求到底有多苛刻呢？我们需要去深切体会一下。
在地心参考系里，把缆绳简化为圆柱状。缆绳的密度是ρ，横截面是 S。它的一端固定在地球同步卫星上，另一端固定在赤道海上基地。对于同步卫星轨道附近的一小段缆绳，在不考虑各种额外载重的情况下，它所受到的拉力可以通过以下方式来计算：
如果我们以钢来充当太空电梯的缆绳，对上面的式子进行简化和变形，接着把钢的密度值代入其中，那么就能够估算出钢所需要承受的最大应力最少得达到 。然而事实上，钢的抗拉强度仅仅为 。
也就是说，就算用钢来制作缆绳，也会在强大的引力作用下直接发生变形。到这里，我们碰到了一个极为棘手的问题：怎样找到密度小却抗拉强度大的材料呢？
3、太空电梯的缆绳难题
目前，满足上述要求最有可能的是碳纳米管。它是由碳原子组成的管状结构纳米材料。这种材料是目前已知的，在理论上力学强度最高且韧性最好的材料。
碳纳米管结构
碳纳米管的密度约为 1700 kg/㎡。将其代入上面的公式进行计算后可以得知，如果使用碳纳米管来制作太空电梯的缆绳，那么碳纳米管的抗拉强度起码要达到 90 GPa。
目前，在实验中我们能够合成的碳纳米管的抗拉强度能够达到 。并且，对于具有理想结构的单壁碳纳米管来说，它的抗拉强度可以达到 。
看来，只要我们生产出几万公里长的碳纳米管，将其从同步卫星上“悬挂”下来，再固定到赤道附近的海上基站，问题就能迎刃而解了。
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了碳纳米管并为之命名。这一发现为陷入瓶颈的太空电梯设想注入了鲜活的力量，使得许多研究团队重新开始关注并拾起了太空电梯计划。
大家很快发现，因为制备工艺存在限制，所以实际能够制备出的碳纳米管长度仅仅只有几毫米，并且还存在大量的结构缺陷。唉，仿佛又陷入了死胡同……
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但正所谓，沉舟侧畔千帆过，病树前头万木春。
2013 年，清华大学的魏飞教授团队。他们将生长每毫米长度碳纳米管的催化剂活性概率提升到 99.5%以上。之后，成功地制备出了单根长度超过半米的碳纳米管，并且这根碳纳米管具有完美的结构。
目前，他们正在进行千米级以上碳纳米管的研制工作。我们的太空天梯，仿佛迎来了一丝希望的曙光。
4、太空电梯的实际窘境
你可能已经察觉到了。刚才所讨论的全部都是最为简单的物理模型。倘若真的要对项目建设进行考虑的话，那就必须要去解决诸多的实际问题。
因为生活中用到的各种高压电线，时间长了会出现磨损的情况，所以我们很自然地会产生这样的疑问：用碳纳米管制成的缆绳，其耐久性到底怎么样呢？要知道，如果缆绳很容易破损，那么即便把电梯建好了，也是没有用的。
日本大林组在 2015 年进行了一项实验。其目的是检验碳纳米管的耐久性。为此，他们将碳纳米管样品送到了特定的位置。这个位置位于地表上空 400 公里附近。具体来说，是送到了日本实验舱内。
日本“希望号”实验舱
样品在太空中放置了 2 年，之后被重新带回地球。研究人员进行分析后得知，碳纳米管的表面已被处于原子状态的氧所破坏。
要知道，400 公里高度处于大气层的热层。这里空气极为稀薄。即便如此，2 年时间也已破坏了碳纳米管。由此可以想象，直接暴露在最低端对流层内的缆绳，将会面临更严峻的考验。
除了会被处于原子状态的氧所破坏，还需要去应对各种可能出现的风吹、日晒、雨淋情况，甚至有可能遭遇闪电、飓风等各类极端气候……在提高缆绳耐久性方面的研究，显然是充满了诸多困难，但只要道路没有被完全堵死，我们就不会停止探索的脚步。
当然，除了耐久性问题之外，有很多难题在等着我们去解决。比如，怎样确保电梯厢体拥有足够的动力来支持，能够一直从地面上升到太空站呢？倘若在上升到一半的时候，太空电梯的动力系统突然出现故障，那简直就如同高空求生的惊悚片现场一般，光是想想就令人不寒而栗。
假如电梯停在这瞬间...（图源：流浪地球2预告片）
比如，怎样让太空电梯能够自动躲避太空碎片以及那些可能撞过来的卫星呢？要是躲避不及时的话，所造成的后果是难以想象的。
真可谓验证了那句话：太空电梯，越是尝试，越是困难。
5、我们为什么执着于太空电梯
这个时候，你或许会问，建造太空电梯极为困难，那为何我们始终执着于这看似难以实现的设想呢？原因在于，我们对星辰大海充满向往。
咳咳咳，先不谈这些，来说点实际的。在目前的国际商业卫星发射当中，每千克载荷的运输成本处于 2 千到 2 万美元这个范围之间。倘若我想要去太空旅行一趟，那么至少需要 10 万美元。
假设太空电梯能够建设成功，并且不考虑初期建设成本。日本大林组预估，每千克载荷的运输成本大约是 200 美元。
小编只需花费约 7 万人民币，便能去太空旅行。建成太空电梯后，不仅能让太空观光触手可及，还能以低成本在地球与太空间运输物资。
这，也许会成为人类太空探索史上，最动人心魄的转折点！
6、有生之年
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。
你将在有生之年看到一座宏大的天梯，它会穿破遥远的云层，以极为迅猛的力量不断冲向地表，最终能够横贯天地，在古今之中显得极为艳丽。
图源：流浪地球2预告片
想到这儿，我真的热泪盈眶。
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