“女士们，先生们，太空电梯即将抵达失重空间站，请您做好准备，从右边的门出去。”
如果我告诉你，有一天你会亲耳听到这样的广播，你会相信吗？
01
太空电梯从哪里来？
20世纪初，被誉为“航天之父”的俄罗斯科学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基提出了几大设想：
使用液体作为火箭燃料；
反应是空间中移动的唯一方式；
将两枚或多枚火箭串联起来，组成多级火箭，以提高火箭的速度。
一百多年后的今天，这些理念已经成为航空航天领域的重要应用。
俄罗斯科学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基
然而，他于1895年提出一个想法至今仍未实现。
这个想法其实很简单：
他建议在地面建造一座超高的铁塔，一直到地球同步轨道，塔内安装电梯，这样我们就可以乘坐电梯进入外太空。
第一台太空电梯的概念图
这是太空电梯的原型。
这个铁塔结构看上去是不是很熟悉？
事实上，这正是齐奥尔科夫斯基在参观法国埃菲尔铁塔时受到的启发！
这个概念也是最接近我们对电梯的理解的，但是……
地球同步轨道距离我们3578.6万米，世界最高建筑是迪拜的哈利法塔，高度只有828米……
从这个角度来看，太空电梯好像是没什么希望了？
别着急！
此刻，你是上世纪中叶的宇宙学家，快来思考如何解决这个问题吧！
如果你一时没有想法，请先尝试回答以下问题：
新年第一问
假设，我让你把风筝放飞到250米的高空，你除了在地上奔跑，不断松开线，让风筝飞上空中，你还能做什么呢？
你可以乘坐直升机到较高的高度，把风筝抛出去，慢慢地松开线，让风筝飞到250米的高空。
不要问我为什么要放风筝，也不要问我风筝线会不会断，这不是重点（我不承认这个比喻不严谨）！
重点是，逆向思维！
同样，如果我们想建造一个直达外太空的电梯，最重要的是提供一条绳索轨道。所以，既然从头开始建造它不现实，那么我们……
是否可以像风筝一样从太空“抛”出绳子？
也就是说，我们可以先发射一颗地球同步卫星，然后从卫星上延伸出一根绳子“挂”到地面，将一端固定在地面上，就形成了太空电梯的运行轨道。
太空电梯概念图（图片来源：NASA）
哈！现在我们不需要建塔了，我们只需要“一些绳子”！
正是这种逆向思维，让太空电梯看起来不那么虚幻，如今的太空电梯计划，都是以这种模型为基础的。
02
大林宇宙电梯项目 ✦
在众多的太空电梯计划中，尤为受人关注的是美国大林组公司在2012年宣布的太空电梯计划。
2012年2月，擅长建造高楼的日本著名建筑公司大林组宣布将投资100亿美元建造太空电梯。该电梯预计时速200公里，单程运行时间为7天。计划于2025年左右在赤道附近的海上开工，2050年左右建成并投入使用。
大林集团官网概念图
然而，该计划启动至今已十年，前景似乎并不乐观。就连曾参与太空电梯研发的大林组高级工程师石川洋二也坦言，自己越是尝试这个项目，就越觉得难度加大。
首先，忽略一切外界因素，太空电梯主要由四部分组成：
电梯轿厢、使轿厢上下移动所需的电缆轨道、用于将电缆固定在地面的海上基座以及配重。
太空电梯结构
前三点好像很好理解，但是为什么需要配重呢？
刚才提到的太空电梯概念，就是把一根缆绳从同步卫星上“抛”下来，让它一直“悬”到地面上去。但是，随着缆绳逐渐下放，它所受的重力会大于离心力，缆绳就会对同步卫星产生向内的拉力。那岂不是说，缆绳停留在那里，就会把原本稳定的同步卫星拉下来？
为了解决这个问题，我们必须在放下电缆的同时向上“扔”一些东西，以产生向外的拉力来抵消电缆对卫星的向内拉力。向上“扔”的物体必须足够重才能稳定卫星，我们称之为配重。
但，新的问题又出现了！
电缆实际上并不是处于静止状态，而是随着同步卫星高速旋转，所需的巨大向心力可能超过材料的抗拉极限，导致电缆自行断裂。
让我们深刻体会到太空电梯对于材料抗拉强度的要求有多么苛刻。
在地心参考系中，将电缆简化为密度为ρ、截面为S的圆柱体形状，一端固定在地球同步卫星上，另一端固定在赤道海基座上。考虑靠近地球同步卫星轨道的一小段电缆，在不考虑各种附加载荷的情况下，其所受的拉力可按下式计算：
如果我们用钢材作为太空电梯的缆绳，简化上述公式，代入钢材的密度，可以估算出钢材需要承受的最大应力至少要有400GPa。但实际上，钢材的抗拉强度只有400MPa！
也就是说，即使用钢材来制作电缆，在强大的重力作用下，电缆也会直接发生变形。
这时，我们遇到一个极其困难的问题：如何找到一种密度低，但抗拉强度高的材料？
03
太空电梯的电缆问题 ✦
目前最有可能满足上述要求的材料是碳纳米管：由碳原子组成的管状结构纳米材料，是迄今为止已知的理论机械强度最高、韧性最好的材料。
碳纳米管结构
碳纳米管的密度约为1700kg/㎡，代入上式可计算出，若用碳纳米管制作太空电梯的电缆，碳纳米管的抗拉强度至少要达到90GPa。
目前我们在实验上合成的碳纳米管的拉伸强度可以达到200GPa；即使是结构理想的单壁碳纳米管，其拉伸强度也可以达到800GPa。
看来，如果我们能生产出数万公里长的碳纳米管，把它们“挂”到同步卫星上，固定到赤道附近的海上基站上，问题就迎刃而解了！
然而我们探索太空电梯的道路注定是坎坷的。
1991年，日本科学家饭岛澄男发现并命名了碳纳米管，为陷入瓶颈的太空电梯概念注入了新鲜血液，不少研究团队又重新拾起了太空电梯计划。
然而人们很快发现，由于制备工艺的限制，实际能够制备出的碳纳米管长度仅有几毫米，且含有大量的结构缺陷。
唉呀，看来我们又走进死胡同了……
但俗话说，沉船前千船常行，枯树前千树常开。
2013年，清华大学魏飞教授团队将每毫米长度生长碳纳米管的催化剂活性概率提高到99.5%以上，成功生产出长度超过半米、结构完美的单根碳纳米管。
目前钢结构观光电梯，他们正在开发长度超过一公里的碳纳米管。
我们的太空电梯仿佛看到了一线希望！
04
太空电梯的实际困境 ✦
大家可能已经意识到，我们刚才讨论的都是最简单的物理模型，一旦真正考虑项目建设，还需要解决很多实际问题。
例如，考虑到生活中使用的各种高压电线会随着时间推移而磨损，我们很自然地会提出以下问题：
碳纳米管制成的电缆耐用性如何？
毕竟，如果电缆容易断的话，那电梯就算造出来也是没用的。
为了测试碳纳米管的耐久性，日本大林组于2015年将碳纳米管样品送往位于地表约400公里的日本实验舱。
日本“希望”号实验舱
样品在太空放置两年后被带回地球，研究人员经过分析发现，碳纳米管表面已被原子氧破坏。
要知道，四百公里高空属于大气中的热层，空气已经极其稀薄，即便如此，两年的时间也会把碳纳米管摧毁殆尽。
可以想象，直接暴露在对流层最低处的电缆将面临更加严峻的考验。
除了被原子氧摧毁之外，它还需要面对各种可能出现的风、日晒、雨，甚至雷电、飓风等极端气候条件。
提高电缆耐久性的研究显然充满着困难，但只要路不被堵塞，我们就不会停止探索。
当然，除了耐用性问题之外钢结构观光电梯，还有很多问题等待我们解决......
比如，如何保证电梯轿厢有足够的动力从地面上升到空间站？
如果太空电梯在上升到一半的时候，其动力系统突然出现故障，那将就像是高空生存惊悚片中的场景，想想就让人不寒而栗。
如果电梯在此刻停了下来……（来源：流浪地球2预告片）
例如太空电梯如何自动避开可能与其相撞的太空垃圾和卫星？
若不能及时避免，后果将不堪设想。
这确实印证了那句话：
我们越是尝试建造太空电梯，就越是困难。
05
我们为何痴迷太空电梯 ✦
此时，您可能会问，如果建造太空电梯如此困难，为什么我们仍然痴迷于这个看似不可能的想法？
因为我们向往星辰大海。
咳咳，不说这个了，说点实际的吧：
目前国际上商业卫星发射中，每公斤有效载荷的运输费用在2000到2万美元之间，假设我要去太空旅行，至少要花费10万美元。
假设太空电梯能够成功建造，不考虑前期建设成本，根据日本大林组公司的估算，每公斤有效载荷的运输成本约为200美元！
也就是说，我只需要花费7万左右人民币，就能去太空旅行了！
太空电梯建成后，除了让太空旅游变得触手可及之外，还能以低成本在地球与太空之间运送物资。
这或许成为人类太空探索史上最惊心动魄的转折点！
06
在我的一生中✦
现在，请仰望天空，想象一下。
每一秒看似平淡的时光，都在见证历史的诞生。
你有生之年，将会看到一架宏伟的通天梯冲破遥远的云层，以毁灭性的力量冲向大地，最终横跨天地，史无前例。
图片来源：《流浪地球2》预告片
想到这里，我的眼眶真的湿润了。
