建造流浪地球2的太空电梯,总共分几步?
电影《流浪地球2》中的太空电梯
"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 ope n 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 ?
01
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
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
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:
新年第一问
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)
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。
02
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
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 。
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?
03
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
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!
04
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
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)
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。
05
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 2千-2万美元 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!
06
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
想到这儿,我真的热泪盈眶。
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