“女士们，师长西席们，太空电梯即将达到失落重空间站，请做好准备，从右侧梯门下梯。”
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；
宇宙空间中反浸染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率。
在一百多年后的本日，这些设想，都已经成为了航天领域的主要运用。
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，实在很朴素：
他发起在地面上培植一座超高高高的铁塔，一贯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。
初代太空电梯观点图
这，便是太空电梯的雏形。
这样的铁塔构造，是不是觉得似曾相识？
实际上，这便是齐奥尔科夫斯基在参不雅观法国埃菲尔铁塔时受到的启示！
这样的构想，也与我们对电梯的认知最为靠近，但是……
地球同步轨道间隔我们有35786000米，目前天下上最高的建筑，是位于迪拜的哈利法塔，高度却只有828米...
这样一看，彷佛太空电梯是没戏了？
别急！
此刻，你便是上世纪中叶的宇宙学家，快来想想怎么办理这个难题！
如果一时半会儿没有思路的话，先试着回答下面这个问题：
新年第一问
如果，我让你把一只鹞子放到250米的高空，除了在地面上奔跑，不断放长线绳，将鹞子放飞到空中外，还能怎么做？
你可以坐直升机到更高空，将鹞子扔出，逐步放线，让鹞子到达250米的半空。
不要问我为什么要放鹞子，也不要问我鹞子线会不会断，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！
同样的，我们想要建造一座直达外太空的电梯，最主要的便是须要供应绳索轨道，那么，既然从地面向上建造不现实，那我们……
能不能从太空中\"大众扔\公众下绳索，就像扔鹞子一样？
也便是说，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\"大众垂\公众到地面上，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)
哈！
这下不用建塔了，只须要\"大众几根绳索\"大众就行了！
正是这样的逆向思维，使得太空电梯显得不那么镜花水月，如今的太空电梯操持，都是基于这个模型。
大林组太空电梯操持
在浩瀚太空电梯操持中，尤其受人瞩目的，是大林组在2012年宣告的太空电梯操持。
2012年2月，尤其善于建高塔的日本著名建筑公司大林组，宣告要投资100亿美元培植太空电梯，估量电梯时速200公里，单程须要7天，操持2025年旁边在赤道附近的海上开工，2050年旁边落成运营。
大林组官网观点图
然而，间隔操持启动已经由去了十年之久，前景彷佛不容乐不雅观，就连大林组公司内部，一贯参与太空电梯研发的高等工程师石川洋二都坦言：这个项目越是考试测验，就越是困难。
首先，不考虑统统外部成分，太空电梯紧张由四部分构成：
电梯的厢体、厢体高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
前面三个彷佛很随意马虎理解，但为什么还须要配重呢？
在刚刚提到的太空电梯设想中，我们要从同步卫星上\"大众扔\公众下缆绳，一贯\"大众垂\"大众到地球上，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，就把原来稳定的同步卫星给拽下来了？
为理解决这个问题，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迁徙改变，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哀求，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打算：
\"大众 style=\"大众max-width: 100%; width: 100%; height: auto;\公众>
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，可以估算得到钢须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！
也便是说，即便是用钢来做缆绳，也会直接在强大的引力浸染下变形。
至此，我们碰着了非常棘手的问题：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，最有可能知足上述哀求的是碳纳米管：由碳原子组成的管状构造纳米材料，这是目前已知的理论上力学强度最高和韧性最好的材料。
碳纳米管构造
碳纳米管的密度大约是1700 kg/㎡，代入上面公式打算，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200GPa；乃至，对付具有空想构造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\公众悬挂\"大众下来，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，注定波折不平。
1991年，日本科学家饭岛澄男创造并命名了碳纳米管，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操持。
可是，大家很快就创造，由于制备工艺的限定，实际能够制备出的碳纳米管长度只有几毫米，且存在大量构造毛病。
唉，彷佛又走到了去世胡同……
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，将成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，且具有完美构造的碳纳米管。
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，彷佛，迎来了一线曙光！
太空电梯的实际窘境
你大概已经意识到了，刚刚谈论的都是最大略的物理模型，一旦真的要考虑项目培植，就须要办理很多的实际问题。
例如，鉴于生活中用到的各种高压电线，韶光久了就会磨损，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，如果缆绳很随意马虎破损，那这电梯即便建好了，也是白搭。
为了考验碳纳米管的耐久性，日今年夜林组于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。
样品被放置在太空中2年后，又被重新带回地球。研究职员剖析后创造，碳纳米管的表面，已经被原子状态的氧毁坏。
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年的韶光也已经毁坏了碳纳米管。
可以想象，直接暴露在最低端对流层内的缆绳，会面临着更加严厉的磨练。
除了被原子状态的氧毁坏，还须要面对各种可能的风吹日晒雨淋，乃至可能碰上闪电、飓风等各种极度景象…….
提高缆绳耐久性方面的研究，显然又是困难重重，但只要路没被堵去世，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，在等待着我们去办理……
例如，如何担保电梯厢体有足够的动力支持，可以一贯从地面升到太空站?
如果升到一半的时候，太空电梯的动力系统溘然失落灵，切实其实便是高空求生惊悚片现场，想想都不寒而栗。
如果电梯停在这瞬间…………（图源：流浪地球2预报片）
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，弗成思议。
真可谓验证了那句话：
太空电梯，越是考试测验，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，那为什么我们还一贯执着于这看似不可能的设想呢？
由于，我们神往星辰大海。
当然，还有一些实际缘故原由：
目前的国际商业卫星发命中，每千克载荷的运输本钱在2千－2万美元之间。假设
假设太空电梯可以培植成功，不考虑初期培植本钱，根据日今年夜林组的预估，每千克载荷的运输本钱约为200美元！
也便是说，
建成太空电梯后，除了让太空不雅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，大概会成为人类太空探索史上，最动人心魄的迁移转变点！
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，历史的出身。
有生之年，你将看到一座伟大的天梯，穿破迢遥的云层，以摧枯拉朽之势，不断得冲向地表，终极横贯天地，艳绝古今。
图源：流浪地球2预报片
想到这儿，我真的热泪盈眶。
栏目主编：赵翰露 笔墨编辑：宋彦霖 题图来源：图虫 图片编辑：曹立媛
来源：作者：中科院物理所