本文来自微信公众号:中科院物理所 (ID:cas-iop),作者:穆勒家保姆,题图来自:《流浪地球2》


“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?


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,图源:wiki<br>
 康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基,图源:wiki


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,图源:wiki<br>
初代太空电梯概念图,图源:wiki


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:


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?


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<br>
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。


大林组太空电梯计划


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,图源:大林组官网<br>
大林组官网概念图,图源:大林组官网


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。


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?


太空电梯的缆绳难题


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,图源:wiki<br>
碳纳米管结构,图源:wiki


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。


太空电梯的实际窘境


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,图源:JAXA
日本“希望号”实验舱,图源:JAXA


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
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。


我们为什么执着于太空电梯?


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2000至20000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。


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。


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
图源:《流浪地球2》预告片


想到这儿,我真的热泪盈眶。


本文来自微信公众号:中科院物理所 (ID:cas-iop),作者:穆勒家保姆