建造《流浪地球 2》的太空电梯,总共分几步

2023/1/25 13:31:06 来源:中科院物理所 作者:穆勒家保姆 责编:梦泽

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 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

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:

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。

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

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