今天給各位分享太空電梯設(shè)計(jì)圖的知識，其中也會對太空電梯設(shè)計(jì)圖紙整個進(jìn)行解釋，如果能碰巧解決你現(xiàn)在面臨的問題，別忘了關(guān)注本站，現(xiàn)在開始吧！，本文目錄一覽：，1、，為什么太空電梯是矩形狀的，2、，你們說，太空電梯在未來可以實(shí)現(xiàn)嗎？，3、，太空電梯何時建成??？，6、，太空電梯將成現(xiàn)實(shí)，穿梭太空僅需數(shù)小時，為什么科學(xué)家卻感到擔(dān)憂不已？，地球太空站主要由太空電梯、A城B城C城、D城和E城等組成，C城也叫太空工廠，太空電梯設(shè)計(jì)圖，位于太

今天給各位分享太空電梯設(shè)計(jì)圖的知識，其中也會對太空電梯設(shè)計(jì)圖紙整個進(jìn)行解釋，如果能碰巧解決你現(xiàn)在面臨的問題，別忘了關(guān)注本站，現(xiàn)在開始吧！

本文目錄一覽：

• 1、為什么太空電梯是矩形狀的
• 2、你們說，太空電梯在未來可以實(shí)現(xiàn)嗎？
• 3、太空電梯何時建成啊？
• 4、太空電梯是哪個小說
• 5、美國“天梯”工程將于多久完工？
• 6、太空電梯將成現(xiàn)實(shí)，穿梭太空僅需數(shù)小時，為什么科學(xué)家卻感到擔(dān)憂不已？

為什么太空電梯是矩形狀的

太空電梯是一種獨(dú)特太空電梯設(shè)計(jì)圖的空間結(jié)構(gòu)太空電梯設(shè)計(jì)圖，其設(shè)計(jì)以矩形形狀為基本構(gòu)造元素太空電梯設(shè)計(jì)圖，以適應(yīng)太空空間場景太空電梯設(shè)計(jì)圖的特殊性太空電梯設(shè)計(jì)圖，且其穩(wěn)定性更多。此外，太空電梯的結(jié)構(gòu)也有利于傳輸、安全性及易操作性。

你們說，太空電梯在未來可以實(shí)現(xiàn)嗎？

在上個世紀(jì)，人類做了一些相當(dāng)了不起的事情。萊特兄弟在1903年發(fā)明了第一架飛機(jī)之后，我們僅用了66年的時間就將一個人送上了月球。我們的工程和科學(xué)能力顯然令人驚嘆，但也許是時候讓我們來看看超越以往任何想象的挑戰(zhàn)了……也許現(xiàn)在是時候建造太空電梯了。

什么是太空電梯呢？

太空電梯的概念最早是由康斯坦丁·齊洛夫斯基（Konstantin Tsiolovsky）于1895年提出的，他是同一位紳士，他提出了著名的“火箭方程式”，將火箭送入太空（從根本上說，他對太空事業(yè)的貢獻(xiàn)是巨大的）。

齊奧洛夫斯基的太空電梯概念是受埃菲爾鐵塔啟發(fā)的，埃菲爾鐵塔大約在同一時間建造。

他想知道人類是否可以建造一座足夠高的塔，塔的頂端可以延伸到太空中很遠(yuǎn)的地方，這樣我們就可以不用發(fā)射火箭到達(dá)那里，而只需跳上這座高得離譜的建筑上的電梯，越過重力的屏障到達(dá)恒星！

目前，世界上最高的建筑是迪拜的哈利法塔，高達(dá)829.8米（2722英尺）。它保持著人類創(chuàng)造的最高建筑的紀(jì)錄，超過了此前華沙無線電桅桿646.38米（2120.7英尺）的紀(jì)錄，后者在建造過程中實(shí)際倒塌?？尚械奶针娞荼仨氈辽俑哌_(dá)35,786公里（22,236英里），這是物體到達(dá)地球靜止軌道的高度。相比之下，如果哈利法塔只有一個咖啡杯的高度（8.25厘米），那么太空電梯的高度將是3.56公里—比哈利法塔實(shí)際高度的4.3倍還要高！

哈利法塔，圖片來源：mafengwo

對地靜止軌道是從地球表面到赤道的高度，物體完成一個軌道所花費(fèi)的時間與地球的旋轉(zhuǎn)周期相同，即一天。從本質(zhì)上講，這意味著，如果您乘坐的航天器在地球靜止軌道上，就在地球某個點(diǎn)的正上方（比方說，印度尼西亞的坤甸就在赤道上），那么您永遠(yuǎn)都不會相對于該點(diǎn)移動。因此，如果您向下看，這座城市將始終保持在您下方，如果您在軌道上，該城市將永遠(yuǎn)不會相對于您移動。

太空電梯應(yīng)該由什么來制作呢？

記住，36000公里（達(dá)到地球靜止軌道）是我們需要達(dá)到的最低高度，太空電梯才能正常工作。然而，質(zhì)量中心必須在地球靜止軌道高度；再低一點(diǎn)，系統(tǒng)就會變得不穩(wěn)定。理想情況下，太空電梯的高度約為100000公里（62000英里）。想一想……我們說的覆蓋距離實(shí)際上是到月球距離的三分之一！在這段距離內(nèi)，我們將不得不開始建造太空中的大部分電梯，還有幾艘大型宇宙飛船和數(shù)千人在零重力下建造這座塔。

請記住，36,000公里（到達(dá)對地靜止軌道）是我們使太空電梯正常運(yùn)行所需的最低高度。

但是，質(zhì)心必須在對地靜止軌道高度上；稍微低一點(diǎn)點(diǎn)，系統(tǒng)將變得不穩(wěn)定。理想情況下，太空電梯的高度約為100,000公里（62,000英里）。想一想……我們正在討論的距離實(shí)際上是距月球距離的1/3！在這樣的距離下，我們將不得不開始在太空中建造大部分的電梯，這依靠著幾艘大型太空飛船和成千上萬的人在零重力下建造塔的努力。

另一種方法是將一個巨大的色帶線軸發(fā)射到對地靜止軌道上，然后將其向下放到地球上，而另一個線軸被向上釋放（遠(yuǎn)離地球）以抵消力并停留在軌道上。最初的飛船將停留在對地靜止軌道上，并有長電纜沿兩個方向延伸。這個想法看起來像是科幻小說中的東西，它似乎也確實(shí)是這樣。這項(xiàng)工作所需的工程和材料技術(shù)比我們目前的能力要先進(jìn)得多。

太空升降機(jī)需要極高的抗拉強(qiáng)度，才能抵消將這個巨大的100,000公里結(jié)構(gòu)拉下的重力以及將其拉動的配重的離心力和慣性（我們一會兒就會了解到）向上。它需要在極端高溫和低溫，來自大氣的不可預(yù)測的力以及來自外層空間的輻射中保持穩(wěn)定并發(fā)揮功能。最重要的是，它必須在不斷撞擊的微小隕石和太陽風(fēng)粒子中存活下來。是否確實(shí)存在滿足所有這些要求的物質(zhì)？我們認(rèn)為碳納米管可能是答案。

碳納米管

碳納米管是納米工程的圓柱形碳結(jié)構(gòu)；自然界中，我們無法找到它們，而且它們很難制造。它們是迄今為止發(fā)現(xiàn)的最堅(jiān)硬、最堅(jiān)固的物質(zhì)，而且具有很高的抗拉強(qiáng)度，這正是我們需要的那種太空電梯材料。它們也具有導(dǎo)電性，因此我們無需鋪設(shè)額外的電線即可為攀登者或電梯供電。

然而，即使碳納米管電纜有著巨大的強(qiáng)度，碳納米管電纜也只能在破碎前支撐其自重約5000至7000 km，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于太空電梯所需的100,000 km。話雖這么說，技術(shù)的進(jìn)步最終可能使我們達(dá)到可行的階段，以生產(chǎn)出正確的材料或操縱我們已經(jīng)擁有的材料。

配重

太空電梯的頂部也將需要配重。換句話說，電梯必須被固定在非常重的物體上，就像它被固定在地底一樣。你建造的電梯越高，這個配重就需要越輕，以抵消你增加到電纜本身的額外質(zhì)量。配重是確保地球靜止軌道高度以上的質(zhì)量與其以下的質(zhì)量大致相同所必需的；因此，向上拉動系統(tǒng)的離心力等于向下拉動系統(tǒng)的重力。

如果我們建造最小高度為35,786公里（22,236英里）的太空電梯，則配重將需要很大，像月球大小的三分之一那么大。一種方法是捕獲一顆小行星，并將其帶入環(huán)繞地球的軌道，這時我們可以建造通往它的電梯。如果大約在6500萬年前有偉大的人類工程師，那么消滅恐龍的小行星也許可以用來建造太空電梯……

如果您的電梯高度超過50,000公里，它的頂端會繞著地球快速移動，達(dá)到所謂的逃逸速度，即你將飛出繞地球軌道的速度。在那一點(diǎn)上，你可以簡單地跳出電梯到達(dá)月球，盡管你的軌道計(jì)算必須非常精確才能避免漂浮到太空之中。如果恒星（或行星）對齊，那么使用延伸到100,00 km的電梯，您將有足夠的速度來計(jì)劃前往木星。

如果這么難，為什么要建造一個太空電梯呢？

所有這些問題似乎收效甚微。考慮到物理、科學(xué)和經(jīng)濟(jì)的限制，建造太空電梯幾乎是不可能的。再者，有必要嗎？我們已經(jīng)能夠把東西送上太空，國際空間站上也有人居?。ūM管他們在大約450公里的近地軌道上，而不是100,000公里）。答案是成本。目前，將一磅（0.45公斤）的有效載荷送入環(huán)繞地球的軌道大約需要10,000美元；對于星際旅行，這筆費(fèi)用會高得多。建造太空電梯后，發(fā)送相同有效載荷的成本將在90美元左右，成本降低99%。

建造太空電梯將是人類迄今為止最雄心勃勃的工程。這使得萊特兄弟的成就相比之下顯得微不足道，盡管意義不小。人類似乎總是通過自己的工程能力找到超越自己的方法。我們總是在尋找下一個要克服的障礙，下一個要克服的挑戰(zhàn)。也許建造太空電梯需要的技術(shù)和人力是我們今天根本無法想象的，但不要忘記，150年前，飛行對人類來說仍然是一個遙不可及的夢想。從這個角度看，真的不知道我們離建造100,000公里的太空電梯有多近！

太空電梯何時建成?。?/h2>

地球太空站主要由太空電梯、A城B城C城、D城和E城等組成。

C城也叫太空工廠太空電梯設(shè)計(jì)圖，位于太空電梯的中部太空電梯設(shè)計(jì)圖，距地面35780公里，C城與太空電梯的連接是軟聯(lián)結(jié)。這里有太空加工廠、太空軸承廠、太陽能發(fā)電站、飛船組裝中心，太空望遠(yuǎn)鏡和人造月亮等，各個單元之間相互連接，形成了一個以地球中心為球心的巨型球面。第一個太空電梯建成后20年內(nèi)，太空工廠將會達(dá)到面積200平方公里、重量250萬噸，向地球輸送70GW（7千萬千瓦）的電力；還將完成第一座10萬平方米的太空城市的制造；還將建造另外二個太空電梯（以便進(jìn)一步提高運(yùn)輸能力和提高抗風(fēng)險能力），還將完成一架月球太空站的建造。

A城：位于赤道附近的地面上，與一般的城市的主要區(qū)別是有：防空中心、防雷系統(tǒng)、托盤編組站和天梯指揮中心。A城也可能是一個可移動的海上平臺。

太空電梯：由兩部分組成：吊天梯和甩天梯。太空工廠以下為“吊天梯”，以上稱作“甩天梯”。

吊天梯：由導(dǎo)軌、中轉(zhuǎn)站、托盤和驅(qū)動系統(tǒng)等組成。其中導(dǎo)軌材料的研發(fā)成功是整個地球太空站成為可能。整個吊天梯的高度為35780公里，一端連接A城（在地面），另一端連接C城，導(dǎo)軌上分布著35個中轉(zhuǎn)站。吊天梯主要的功能是：將地面上的物資和人員送往C城，它是雙向的，返回的主要作用是使運(yùn)載托盤形成閉路循環(huán)，往復(fù)循環(huán)使用，同時也返回一些人員和“太空垃圾”等，是C城“發(fā)展壯大”的交通樞紐，遠(yuǎn)離地面的一些中轉(zhuǎn)站還可以用來發(fā)射不同高度要求的衛(wèi)星。托盤在天梯上的運(yùn)行采用超導(dǎo)磁懸浮，運(yùn)行速度1000kg/h，最大運(yùn)載能力240t/d。

甩天梯：也是由導(dǎo)軌和中轉(zhuǎn)站等組成。他的主要作用是“支撐”吊天梯的空中一端。它的長度是74000公里，它的一端在C城位置與吊天梯相連，另一端與E城相連。它也是雙向的，但是他的運(yùn)輸量很小，它的每一個中轉(zhuǎn)站都能用來發(fā)射衛(wèi)星，其中一個中轉(zhuǎn)站叫“月球站”，其他還有“土星站”……“火星站”等等，同時這些中轉(zhuǎn)站還能用來回收太空衛(wèi)星。

月球站：在月球站發(fā)射的衛(wèi)星，可以直達(dá)月球的引力范圍，不再需要其他動力火箭加速或提升，只需軌道調(diào)整即可，巧的是，從月球返回的衛(wèi)星，也剛好可以落在月球站。這與目前的火箭方式相比，發(fā)射一次的代價連零頭都用不了。另外，在這里發(fā)射或接受飛船，每天都有一次機(jī)會可以選擇，幾乎不受地面天氣的影響。

導(dǎo)軌的材料選用碳纖維，上面覆有供驅(qū)動和固定用的電磁材料，總共有2.5×108kg（材料耗資約20億美金），截面的形狀和尺寸見圖，由于導(dǎo)軌上不同的高度位置所承受的拉力不同，所以不同的高度位置采用不同的厚度（等強(qiáng)度設(shè)計(jì)，在這里非常重要，否則優(yōu)質(zhì)碳纖維將無能承擔(dān)導(dǎo)軌材料這一重任）：吊天梯的導(dǎo)軌有7.1萬噸，采用優(yōu)質(zhì)碳纖維，其工作拉應(yīng)力為15GPa，地面位置的厚度為0.08mm，承受180噸的拉力（空負(fù)荷時180噸，重負(fù)荷時40噸）；C城位置的厚度1.80mm，承受4100噸的拉力；甩天梯的導(dǎo)軌采用普通碳纖維（主要是對高溫和低溫性能要求很高），其工作拉應(yīng)力為7.5GPa，C城位置的厚度是3.65mm，承受4100噸的拉力；E城位置0.06mm，承受68噸的拉力；

B城和D城分別位于距離地面34000km和37700km，其重力加速度都是0.3m/s2，是地球的1/33。當(dāng)太空電梯設(shè)計(jì)圖你站在人一個太空站上往“天上”看，都能透過太空工廠看到另一個太空城，所不同的是，其中一個還能看到一個巨大的星球在天空，那是……（廢話）。這兩個城集生活區(qū)、工作區(qū)和農(nóng)場為一體。

E城位于太空電梯的頂端，距離地面110000公里，質(zhì)量為1150噸，是整個地球太空站中最小的城市，其重力加速度為0.59m/s2，是地球表面的1/17。在這里發(fā)射的衛(wèi)星，速度可達(dá)8.4km/s（遠(yuǎn)大于2.6的宇宙第二速度，可以抵達(dá)太陽以外公里的地方）。將來，隨著通訊和控制技術(shù)的提高，利用E城和甩電梯協(xié)調(diào)發(fā)送多極組合式火箭，使得造出30km/s的宇宙飛船變得容易多了。

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太空站的建造：初期是太空電梯的建造，其他部分有了太空電梯就方便多了。

太空電梯的建造：導(dǎo)軌和其相應(yīng)的空中太空電梯加工安裝設(shè)備等零部件共計(jì)1.3 ×108kg，需要將其所需的材料統(tǒng)統(tǒng)運(yùn)到距地面以上35780公里的同步軌道上，在那里由太空軌道安裝中心向沿上下兩個方向建造導(dǎo)軌。

很顯然，這么多的物質(zhì)運(yùn)到太空很不容易，用現(xiàn)有的航天運(yùn)載工具是很不劃算的，很現(xiàn)實(shí)的辦法是在安裝太空電梯之前，先安裝一個小型的太空電梯，用它來運(yùn)輸未來的太空電梯，同樣道理，在安裝小型太空電梯之前，還應(yīng)該有一個微型太空電梯，而微型太空電梯所用的導(dǎo)軌材料不是廉價的碳纖維，而是昂貴的碳納米管（可太空電梯設(shè)計(jì)圖你說，沒有像碳納米管這樣的材料，一切都將沒有希望）。

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地球太空站是一道靚麗的風(fēng)景線，空中的C城讓地球上40%地方夜晚“伸手不見五指”成了過去，即使在白天，也有可能找到她；晚上，它是僅次于月亮的第二明亮的“星星。

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到月球的路線是：從A城乘坐太空電梯，路過B城、C城和D城，兩天后到達(dá)月球站，在月球站轉(zhuǎn)乘地月太空飛船，飛抵月球太空站的“地球站”，然后乘坐月球太空站上的太空電梯到達(dá)月球表面，返回的路線，不用我說了吧？往返票價：150000美元。

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月球太空站：月球的太空電梯式太空站最有特點(diǎn)，它的伸向太空的一端剛好永遠(yuǎn)指向地球，不過，雖然月球的引力小，但是實(shí)際在它上面建造太空電梯的費(fèi)用卻比在地球上要大幾十倍（同等規(guī)模），其主要的原因除了月球距離我們遙遠(yuǎn)以外，還有一個很重要的原因就是月球的自轉(zhuǎn)速度很小。因此，在140年內(nèi)在月球上建造太空電梯，遠(yuǎn)不如在月球上直接采用火箭輸送更合算。其實(shí)，等地球上有了太空電梯，加上月球的引力小，月球上的火箭輸送費(fèi)用將會小到讓我們感覺非常輕松。

太空加工廠：主要是將由吊天梯送上來的原材料（或成品、半成品零部件）進(jìn)行加工、組裝，主要是太空工廠所需的設(shè)備。比如太空軸承廠、太陽能發(fā)電站、飛船組裝中心，太空望遠(yuǎn)鏡和人造月亮以及太空加工廠自身所需的裝備和太空公路系統(tǒng)等。

太空軸承廠：制造人類所需的高精度、高速、重載軸承的鋼球。

太陽能發(fā)電站：在太空工廠上的太陽能光電發(fā)電，相同面積時其發(fā)電量是地球的5倍，而且太空上有的是廉價的“地皮”，在失重的條件下可以大大減少材料消耗，大量的使用還能降低光電板的費(fèi)用、提高其效率。該發(fā)電站除了自用以外，更多的將通過微波的方式送往地面供人類使用。

飛船組裝中心：

太空望遠(yuǎn)鏡：這里的每一臺太空望遠(yuǎn)鏡的能力是哈勃望遠(yuǎn)鏡的10倍以上，而成本卻比“哈勃”還低2倍。

和人造月亮：地球上每一個10萬人以上的居住區(qū)都將擁有自己的“人造月亮”，其亮度為“滿月”時的亮度，而在一些需要的地區(qū)（比如災(zāi)區(qū)）， 數(shù)十個（或100個）人造月亮能把那里變得像路燈下一樣明亮甚至更亮。由于它利用的是陽光，太空的金屬材料不容易腐蝕和疲勞，同步軌道上調(diào)整角度既方便又省力，所以基本上是一種一勞永逸的事情。

導(dǎo)軌材料及形狀：導(dǎo)軌的材料是太空天梯的關(guān)鍵，除了性能需要考慮以外，成本上主要要考慮兩大塊：一個是發(fā)射費(fèi)用，另一個時材料本身的成本。就目前而言：

1. 用火箭送往同步軌道的費(fèi)用是7~10萬美金/公斤；

2. 上述的太空電梯，其運(yùn)輸成本只有15美元/公斤；

3. 碳納米管的抗拉強(qiáng)度2×1011Pa,密度1200公斤/米3，目前尚沒有能成功的制作出所需的形狀，有待于開發(fā)，但是希望是很大的，只是時間問題，目前成本3萬美元/公斤（由于本項(xiàng)目需求量極大，有望突破1萬美元/公斤），截面抗拉成本為6×10-5美元/米牛頓；

4. 碳纖維的抗拉強(qiáng)度1.5×1010Pa,密度1000公斤/米3，目前成本10美元/公斤，截面抗拉成本為6.7×10-7美元/米牛頓。

可見，在運(yùn)輸成本上，太空電梯只有火箭的1/5000，在材料成本上，碳纖維只有碳納米管的1/100，因此，在建造第一個太空電梯的時候，所用的導(dǎo)軌材料必須用火箭送往同步軌道，這時選用碳納米管最佳，而且規(guī)模不能太大。而以后的太空電梯，由于可以采用先前的太空電梯來運(yùn)輸，運(yùn)輸成本大大降低，就可以選用廉價的碳纖維做導(dǎo)軌，規(guī)模可以愈來愈大，數(shù)量愈來愈多，而成本確愈來愈低。

（可以這樣的形象比喻：地球火箭在生命的最后才瘋狂到了極點(diǎn)太空電梯設(shè)計(jì)圖！）

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太空電梯是哪個小說

《三體》中的太空電梯，有可能成為現(xiàn)實(shí)嗎？

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中科院物理所

回答于 2023-01-21

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《流浪地球2》中出現(xiàn)了太空電梯的身影

導(dǎo)讀：

劉慈欣的長篇科幻小說《三體》的動畫片版已于去年年底在B站上映，電影《流浪地球2》將在今年春節(jié)的1月22日開始在全國各大影院閃亮登場。它們有一個共同特點(diǎn)，就是里面都有太空電梯的場景。太空電梯只是科幻嗎？會有真正實(shí)現(xiàn)的那一天嗎？

撰文 ｜ 龐之浩

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國外科幻片中的太空電梯

記得小時候看過一本18世紀(jì)德國著名的兒童文學(xué)作品，書名為《吹牛大王歷險記》。書中的主人公為了到月亮上撿回他扔上去的銀斧，就在地上種了一粒土耳其豌豆，豌豆苗生長很快，不久就長到天上去了。他順著豆藤向上爬，僅一個多小時，就成功爬上了月亮。于是，這根能通向月亮的豆藤就永遠(yuǎn)刻印在了我的心里?；孟肟偸悄敲疵利悺２贿^，這美麗的幻想，或許真的能照進(jìn)現(xiàn)實(shí)。

很久以來，人類就夢想通過建造太空電梯上天，并一直不斷努力。有研究表明，這個夢想將在本世紀(jì)實(shí)現(xiàn)。2021年11月，國際太空電梯聯(lián)盟主席斯旺表示，未來太空電梯作為永久性物流基礎(chǔ)設(shè)施，可將物資和人員運(yùn)到太空，成為進(jìn)入太空的新通道。

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太空電梯示意圖

SAIXIANSHENG

科幻將變現(xiàn)實(shí)？

用一根粗大的吊索，一端固定在位于地球赤道上的平臺上，另一端緊緊抓住距地面約3.6萬千米、在地球靜止軌道上運(yùn)行的航天器，就可使一個形似電梯的吊箱載著貨物、人員沿吊索駛向太空……這就是一些國家研究人員正在嘗試設(shè)計(jì)的太空電梯。

現(xiàn)在，進(jìn)入太空的主要工具是運(yùn)載火箭，即通過消耗大量燃料來擺脫地球引力。運(yùn)載火箭所攜帶的燃料要占到火箭總重量的90％以上，每運(yùn)送1千克有效載荷上天平均需耗資至少1萬美元。

雖然太空電梯造價昂貴，但不需要動用大量燃料，因此建成之后的運(yùn)行費(fèi)用比運(yùn)載火箭低兩個量級，且可像高速公路一樣24小時運(yùn)轉(zhuǎn)，將航天器、物資和包括旅游者在內(nèi)的人員帶到太空去。英國一項(xiàng)測算顯示，用太空電梯運(yùn)送1個人和貨物的費(fèi)用相當(dāng)于用航天飛機(jī)運(yùn)費(fèi)的0.25％。國際宇航科學(xué)院秘書長讓·米歇爾·康坦表示，利用太空電梯運(yùn)輸，每千克物資運(yùn)輸成本約為500美元，比使用火箭每千克至少要花1萬美元更便宜的多。

太空電梯的概念最早由俄國科學(xué)家、航天學(xué)之父齊奧爾科夫斯基在20世紀(jì)初提出，他曾建議利用一個太空繩索系統(tǒng)，在空間站之上形成人造地心引力。此后，俄國早期太空預(yù)言家塔斯安德爾也提出在地球與月球之間搭建一條繩索連接的太空電梯，他認(rèn)為地心引力能夠讓繩索伸展開來，使其成為用于運(yùn)送負(fù)荷的空中索道。1965年，蘇聯(lián)航天技術(shù)總負(fù)責(zé)人科羅廖夫組織中央機(jī)器制造設(shè)計(jì)局開始為第一個太空繩索設(shè)備做準(zhǔn)備，打算用一條鋼纜將聯(lián)盟號宇宙飛船與運(yùn)載火箭的末級進(jìn)行連接。不幸的是，這一工程在科羅廖夫去世后就被中止。1979年，著名科幻大師克拉克在其小說《天堂噴泉》再次提出太空電梯的概念，并引起了廣泛注意，因?yàn)樗哂欣碚摶A(chǔ)和科學(xué)依據(jù)，但存在一系列非常復(fù)雜的工程學(xué)問題，最大的挑戰(zhàn)在于沒有人能造出數(shù)萬千米長的超強(qiáng)纜繩。

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用氣球試驗(yàn)太空電梯繩索

后來，在2003年9月15日在美國圣達(dá)菲召開的研討會上，俄羅斯和美國等國家的70多位科學(xué)家和工程師對太空電梯進(jìn)行了討論，最終一致認(rèn)為它將在21世紀(jì)內(nèi)變成現(xiàn)實(shí)。這個曾被視為科學(xué)幻想的革命性工程近些年有了較大進(jìn)展，并有多種方案。

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美國電梯港集團(tuán)公司的太空電梯廣告

其中，美國電梯港集團(tuán)公司正在研制的太空電梯可以一次運(yùn)送30名乘客，在6個小時內(nèi)抵達(dá)10萬千米外的太空。一旦建成，目前地球上運(yùn)程最長、達(dá)800多米的迪拜塔電梯無疑將被遠(yuǎn)遠(yuǎn)甩入塵埃。

SAIXIANSHENG

基本原理簡單

2018年9月25日，日本用貨運(yùn)飛船把一對用于世界首次太空電梯試驗(yàn)的立方體衛(wèi)星送往“國際空間站”。接著又從“國際空間站”釋放了這對邊長為10厘米的立方體衛(wèi)星，它們之間用長約10米的纜索連接；然后嘗試把一個像電梯吊箱的容器通過電動機(jī)轉(zhuǎn)動的纜索從一端移動到另一端。

這是人類首次在太空中移動纜索上的容器，也邁出了人類實(shí)現(xiàn)太空電梯的一步。

太空電梯的原理并不復(fù)雜，基本上就是用一條長長的纜繩一端固定在地球上，另一端固定在地球同步軌道的平衡物(如大型衛(wèi)星或空間站)上。在引力和向心加速度的相互作用下，纜繩繃緊，太空電梯將利用太陽能或激光能沿纜繩上下運(yùn)動。

具體說就是用一根粗大的吊索，一端固定在位于地球赤道的平臺上，另一端緊緊抓住在地球靜止軌道運(yùn)行的航天器上，這樣就可使一個形似電梯的吊箱載著貨物沿吊索駛向太空。

太空電梯由四大件組成：基座、纜索、電梯艙和動力系統(tǒng)。

基座是太空電梯在地面上的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。基座必須選在地球赤道地區(qū)，可以建在陸上，如高山頂上或高塔尖上；也能建在海上，像一個巨大的港口，世界各地的旅客和物資通過海、陸、空交通運(yùn)輸源源不斷地來到這里，然后乘坐或裝上太空電梯的電梯艙運(yùn)往太空。

纜索是太空電梯的關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備。制造纜索的材料必須有很高的拉伸強(qiáng)度/質(zhì)量比，可大規(guī)模生產(chǎn)，并且還要造價低廉。

電梯艙是乘坐人員和承載貨物的部位，功能跟傳統(tǒng)電梯一樣，但原理和結(jié)構(gòu)不同。電梯艙雖然也是沿著纜索向上爬，但從天上垂下一根超長的繩子來將電梯艙吊上去是不太可能的，它要“自己想辦法”爬上去。最簡單的方法是在電梯艙上裝馬達(dá)，帶動夾著纜索的一組輪子轉(zhuǎn)動，從而取得向上的拉動力。馬達(dá)的電源可以從纜索上取得，也能用裝在電梯艙上的發(fā)電機(jī)，但這兩種都會增加電梯艙的重量。比較省重量的方法是在電梯艙上安裝調(diào)諧太陽電池板，然后從地面發(fā)射激光將電梯艙“射”上去。

其上升動力有多種方案，可采用太陽能、核能和電磁場等。但目前研究表明，采用激光和微波方式比較合適。

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標(biāo)準(zhǔn)的太空電梯升降廂

聽起來很美，但如何構(gòu)建它呢？

首先，要建造一個基座平臺，這個平臺要位于一個暴風(fēng)雨、閃電和巨浪較少的海域,還要遠(yuǎn)離飛機(jī)的航線和衛(wèi)星的軌道。太空電梯必須能防雷擊，否則它將容易被斬?cái)唷?/p>

接著，發(fā)射卷有纜索的航天器到太空，讓纜索的一端借助重物墜回地面，最終與地球上的平臺相連接，同時，另一端連接位于太空的航天器上展開。地球自轉(zhuǎn)時，太空電梯纜索就會產(chǎn)生向上的離心力，而地球的重力將纜索往下拉，這樣纜索就平衡了。

最終，將履帶軌道固定在纜索的兩端，并且依靠從地面發(fā)射的激光轉(zhuǎn)換成的電能作為動力加以推動。它將建造成為管狀形的通道，沿軌道來回運(yùn)行時，可以將航天器、各種貨物和乘客帶入太空。他們可以乘座太空電梯沿管道升降。

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運(yùn)行在地球靜止軌道太空電梯的示意圖

現(xiàn)在，美國航空航天局和歐洲航天局等著名航天機(jī)構(gòu)都參與到了太空電梯合作中，但令科學(xué)家們最頭疼的是研發(fā)資金短缺。美國航空航天局太空電梯首席科學(xué)家愛德華茲估計(jì)該項(xiàng)目至少要花費(fèi)70～100億美元。

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早期的太空電梯設(shè)想

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俄美積極攻關(guān)

俄羅斯和美國都在研制太空電梯。其基本思路是一樣的，不同的是俄羅斯的太空電梯首先考慮的是如何從太空往地球運(yùn)回物資，而美國提出的太空電梯的重點(diǎn)是從地面向太空運(yùn)送物資。

俄羅斯擬在月球表面建立永久性基地，然后用太空電梯將貨物運(yùn)至月球基地或者運(yùn)回地球。盡管這種太空電梯的運(yùn)行速度非常緩慢，但卻可以大幅降低人類進(jìn)行太空探測的費(fèi)用。俄羅斯設(shè)計(jì)的太空電梯由人造衛(wèi)星、宇宙飛船、有效載荷艙以及細(xì)長堅(jiān)韌的特種索道組成。

歐洲航天局曾委托俄羅斯建造一部可以把太空物資直接從“國際空間站”運(yùn)回地球的太空電梯。具體方案是：裝有貨物的太空艙從“國際空間站”通過一根大約400千米長的纜繩送回地球。雖然纜繩很長，但其重量不會超過6千克，是用特別材料制成的。進(jìn)入大氣層后，纜繩會燃燒掉，之后，貨物依靠自帶的氣球繼續(xù)落向地球。但由于資金等原因,這一項(xiàng)目現(xiàn)已被擱置。

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從海上通天的太空電梯

美國西雅圖高電梯系統(tǒng)公司的太空電梯項(xiàng)正在進(jìn)行相關(guān)的技術(shù)研發(fā)。其核心部分是研制一條距離地球表面將近10萬千米長的纜繩。其靠近地球的一端將被固定在可能位于太平洋中部某個地方的基站，而另一端將連接到一個在太空中繞地球靜止軌道運(yùn)行的物體上以充當(dāng)平衡錘，它本身所具備的動力將能夠使纜繩繃緊，從而使飛行器等運(yùn)載工具能夠上下穿梭。

在俄美設(shè)計(jì)的太空電梯中，太空電梯的吊索是一條可兩面使用的軌道，其周圍包裹著管道，電梯可借助磁懸浮技術(shù)在管道內(nèi)沿吊索的兩面上下對開。

由于太空電梯的纜繩要承受地心引力和離心力的雙重拉扯，所以目前建造太空電梯的最大障礙是纜索的建造，它需要用又強(qiáng)又輕的材料制成，并能夠經(jīng)受住大氣層內(nèi)外向它襲來的任何物體的撞擊。為此，太空電梯的概念提出后的很長一段時間里，它被認(rèn)為是不可能實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)椴还苡枚嗝磮?jiān)固的材料制造纜索，都承受不了太空電梯的重量而發(fā)生斷裂。

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日本太空電梯繩索試驗(yàn)設(shè)備

1990年，美國科學(xué)家想到了使用像鉆石一樣強(qiáng)韌但又高彈的納米碳管。其初步設(shè)想是：支撐太空電梯的纜繩是一束由10億條、 長達(dá)10萬千米的納米碳管制成，每條納米碳管含有7.2×1017個碳原子。

從理論上講，1米寬、如紙般薄的納米管織物便足以負(fù)載太空電梯了?？茖W(xué)家認(rèn)為，用碳納米管制成纜索可以從近地衛(wèi)星（甚至月球）懸掛到地面，不會因自重而斷裂，可以用來為太空太陽能電站向地面輸電，或制作太空電梯。

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日本雄心勃勃

1991年，日本科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了質(zhì)量輕、強(qiáng)度高的碳納米管，此后太空電梯這一概念又有可能變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，因?yàn)樘技{米管的強(qiáng)度是鋼材的幾十到近百倍。

日本計(jì)劃從距離地球赤道地面36000千米的地球靜止軌道衛(wèi)星上垂下一條納米材質(zhì)的電纜，利用這條電纜，再安裝升降電梯，便可以制成太空電梯了。

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日本研制的碳納米管

目前，日本在碳納米管的開發(fā)方面已取得一定進(jìn)展。上文提到的日本科學(xué)家在1991年發(fā)現(xiàn)的碳納米管，就是日本名古屋名城大學(xué)的飯島澄男用通電的碳煤煙研制出來的，這是一種名為巴基球的特殊原子結(jié)構(gòu)。在研究過程中，飯島澄男發(fā)現(xiàn)，各種材料當(dāng)它的尺度達(dá)到納米級時，它的物理特性如電、磁、熱、強(qiáng)度等都會發(fā)生很大的變化。碳納米管是石墨中一層或若干層碳原子卷曲而成的籠狀“纖維”，直徑只有幾到幾十納米，內(nèi)部是空的。這樣的材料很輕，但很結(jié)實(shí)，密度是鋼的1/6，強(qiáng)度卻是鋼的近百倍。也就是說，一根像縫衣線大小的碳納米管就能承受一輛汽車的重力。

日本大林建設(shè)公司計(jì)劃在2050建成的太空電梯，該太空電梯由6個長18米，直徑7.2米的橢圓柱形電梯間組成，時速約200千米，每次可運(yùn)送旅客30位。該項(xiàng)目拉動電梯的纜索就將采用比鋼堅(jiān)固20多倍的碳納米管材料。電梯纜線固定在地表一個定點(diǎn)上，然后利用地球自轉(zhuǎn)的離心力拋出去，另一頭系著一個起平衡作用的鉛墜。太空電梯電纜的中間部位是一個空間站，站內(nèi)將建設(shè)實(shí)驗(yàn)設(shè)施及居住的空間。

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日本設(shè)想的太空電梯

其實(shí)，為了取得平衡，避免在地球靜止軌道上的空間站因太空電梯太重被拉回地面，保持整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，在空間站的上面還要裝另外一條纜索懸浮在太空中以起平衡作用，從而緩解太空電梯承受的地球引力，即空間站位于電梯纜索的中間部位，站內(nèi)將建設(shè)實(shí)驗(yàn)設(shè)施及居住的空間。這樣，纜索的總長度將達(dá)到9.6萬千米。

機(jī)廂在向太空爬升過程中的動力問題是巨大的挑戰(zhàn)。日本擬采用新干線列車技術(shù)來解決太空電梯進(jìn)入太空的動力問題。日本太空升降艙協(xié)會有關(guān)負(fù)責(zé)人甚至不無樂觀地說，希望未來就像出國旅行一樣，人人都可以坐著太空電梯上太空。預(yù)計(jì)，日本的太空電梯工程總建設(shè)費(fèi)用至少達(dá)到1萬億日元。

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學(xué)生設(shè)計(jì)的太空電梯概念圖

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月球太空電梯

美國科學(xué)家皮爾遜曾制定過一個月球太空電梯方案:在運(yùn)行于月球同步軌道上的衛(wèi)星和月球表面間建立一個“升降機(jī)”，“升降機(jī)”由人造復(fù)合纖維纜繩拴住，衛(wèi)星則好像飛翔在太空中的風(fēng)箏。皮爾遜認(rèn)為這一設(shè)想在理論上是可行的，因?yàn)樵虑蛞χ挥械厍虻?/6，依靠目前科技水平制造的合成纖維纜繩已經(jīng)足夠滿足承擔(dān)運(yùn)輸工作的強(qiáng)度要求。與此同時，在月球周圍也不存在廢棄的火箭推進(jìn)器、衛(wèi)星以及其它太空垃圾所帶來的危險，又使這一計(jì)劃免除一項(xiàng)后顧之憂。

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在這張從太空俯瞰地球的構(gòu)想圖上，人類可以乘坐太陽能（或電磁）交通工具沿著太空電梯出入天庭。

他描述了一幅美妙的月球太空電梯圖畫：滿載物資和補(bǔ)給的纜車順著微微彎曲的月球太空電梯纜繩從天際中垂直落下，降落在月球的某一地點(diǎn)，地球探險者可以輕松到達(dá)月球表面任何角落，尋找地下的固態(tài)水。

也許有人會覺得皮爾遜的想法過于瘋狂，但美國航空航天局的先進(jìn)概念研究所卻不這么認(rèn)為。這家獨(dú)立機(jī)構(gòu)在2004年就資助皮爾遜7.5萬美元用于設(shè)計(jì)其月球太空電梯。

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乘太空電梯登天

2014年，由美國航空航天局前工程師邁克爾?萊恩創(chuàng)辦的電梯港集團(tuán)公司宣稱，由于在月球上建太空電梯比在地球上建更容易，所以該公司可用現(xiàn)有技術(shù)在月球上建造一座太空電梯，并表示這一想法能在較快成為現(xiàn)實(shí)。其具體設(shè)想是：從月球上空5萬千米處垂向月球表面的月球太空電梯，因?yàn)樵虑虻囊π?，并且月球上基本沒有空氣，所以可以大大降低對纜繩強(qiáng)度的要求，只需使用一種名叫柴?。╖ylon）的高強(qiáng)度、高耐熱性復(fù)合纖維，就能實(shí)現(xiàn)打造月球太空電梯的夢想。

從理論上講，制造月球太空電梯的材料會比制造地球太空電梯要輕許多，其纜繩的一端固定在月球表面某個面朝地球的地點(diǎn)。不過，月球太空電梯較小，只能運(yùn)輸200～250千克的貨物。如果用它來采集和運(yùn)輸月球礦石標(biāo)本，則完全足夠，這也將使月球采礦和運(yùn)回地球的成本大大降低。

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太空電梯方案之一

建成后的月球太空電梯還可以與地球太空電梯連成一體，將來有一天，人類只需經(jīng)過幾次換乘，就可以乘坐太空電梯從地球抵達(dá)月球了。

近年，又有一種新的太空電梯方案問世——可充氣太空電梯。根據(jù)設(shè)計(jì)和建造方案，該太空電梯將高約20千米。未來，航天員和運(yùn)載火箭可先搭乘可充氣太空電梯進(jìn)入位于平流層的電梯頂端發(fā)射平臺，然后再點(diǎn)火起飛進(jìn)入太空。它相當(dāng)于運(yùn)載器的第一級平臺，而且航天器還可以返回塔頂平臺加油再重新起飛。這一技術(shù)有望為傳統(tǒng)火箭節(jié)約30%以上的燃料。

長期以來，工程師們一直認(rèn)為太空電梯研制難度太大，因?yàn)闆]有任何物質(zhì)能夠支撐自己達(dá)到太空的高度。然而這種最新解決方案繞開了這個問題。根據(jù)設(shè)計(jì)方案，只需將太空電梯建造到高達(dá)20千米的平流層。太空電梯建造到平流層總比直達(dá)地球靜止軌道高度要容易、可行得多。

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工程困難重重

目前，研制太空電梯最大的挑戰(zhàn)是能否以低成本、大規(guī)模生產(chǎn)出碳納米管纖維材料，因?yàn)檫@種材料現(xiàn)在還只是毫米級制品，距實(shí)用差距甚遠(yuǎn)。從理論上說，如果用碳納米管纖維材料造出直徑1毫米的碳納米繩，該納米繩就可以承載60噸的重量。迄今為止，科學(xué)家仍然無法用碳納米管編織出長長的纜繩。此外，每克碳納米管就價值500美元，要制造出一條10萬千米長的碳納米纜繩就十分昂貴了。

另外，向太空發(fā)射各種電梯建設(shè)材料花費(fèi)巨大，且如果太空電梯因嚴(yán)重事故崩塌，空中和地面的損失也將十分驚人。

還有，當(dāng)太陽風(fēng)向太空電梯施加壓力時，來自月球和太陽的重力作用將使繩索變得搖擺不定。這將有可能使太空電梯搖擺造成太空交通障礙，太空電梯也可能會碰撞上人造衛(wèi)星或者太空垃圾殘骸，這樣的碰撞將導(dǎo)致繩索斷裂或太空電梯失事。為此，太空電梯必須在內(nèi)部建造推進(jìn)器，以穩(wěn)定太空電梯致命的搖擺振動，但這又將增加了建造的難度和電梯建造和維護(hù)成本。也有關(guān)專家認(rèn)為，地球磁場可以自然地削弱太空電梯的搖擺振動，用活動錨也可控制繩索搖擺。

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太空電梯的基站可以建在海上。

再者，在地球外層、距離地面1000～20000千米的區(qū)域，分布著一條強(qiáng)度很高的輻射帶，而在穿越該區(qū)域的過程中，航天員們可能會受到致命的輻射。如果缺乏有效的防護(hù)措施，乘坐太空電梯的乘客將會受到高強(qiáng)度射線的照射。此前，對于從事高軌道航天飛行的航天員們來說，分布在地球外部的輻射層已構(gòu)成嚴(yán)重的威脅。當(dāng)年參加“阿波羅”計(jì)劃的航天員們曾穿越這一地區(qū)。由于當(dāng)時飛船的速度很快，因此他們受到射線照射的時間很短，計(jì)量也不足以致命。然而，太空電梯的爬升速度卻要慢很多——不會超過200千米/小時。這就意味著，搭乘太空電梯的航天員必須在輻射區(qū)中呆上至少3天的時間。對此，雖然科學(xué)家們已提出了多種解決方案，但任何一種都存在著這樣或那樣的缺陷。

有一種解決方案是在太空電梯外部建造一個防護(hù)層。但這會是太空電梯變得異常笨重和復(fù)雜，難以克服地球引力的影響。

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太空電梯會受到太空垃圾的襲擊

另一種解決方案是將起始平臺設(shè)在遠(yuǎn)離赤道的地區(qū)，這樣輻射帶的強(qiáng)度就不會太過強(qiáng)烈。但專家們認(rèn)為，即使這樣，仍無法確保航天員不會受到致命劑量輻射的傷害。況且，如果太空電梯的起始點(diǎn)太靠近北緯45°地區(qū)，那么地球旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力將會使固定太空電梯的纜繩偏向南方，同時，它還會受到各種惡劣天氣條件的影響。

還有科學(xué)家提出可在太空電梯周圍構(gòu)建一層人造磁場。通過這種方式將可有效抵御各種危險的射線。但此舉會嚴(yán)重削弱太空電梯的升力，導(dǎo)致向太空運(yùn)送物資和人員的能量消耗大幅度增加。

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科幻片中太空電梯基座

太空電梯還會面臨許多安全問題需要解決。例如，雷擊、流星、太空碎片、颶風(fēng)、原子氧等，其中有的已經(jīng)有對策了。例如，有兩種辦法可使太空電梯免遭雷擊：其一是將太空電梯的基座選在地球上的無雷區(qū)，因?yàn)榈厍蛏嫌行┑貐^(qū)常年無雷；其二是將太空電梯的基座建在6000米高的山頂上，因?yàn)樵诖烁叨纫话愫苌侔l(fā)生閃電。對付太空碎片的辦法是：對太空垃圾進(jìn)行密切的跟蹤和監(jiān)視；采用移動基站，使纜索避開太空垃圾的撞擊；在500～1700千米這一段增加纜索的厚度。對付颶風(fēng)的辦法是將基座建在沒有颶風(fēng)的區(qū)域，或者增加纜索的強(qiáng)度。

另外，由于建造太空電梯所用的碳納米繩技術(shù)過難，成本過高，所以地球太空電梯至今仍停留在美好的藍(lán)圖階段，但月球太空電梯有可能先問世。如果地球太空電梯取得突破性進(jìn)展，人類就將走進(jìn)大眾太空旅游的新時代。

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結(jié)語

目前，碳納米管和超強(qiáng)石墨烯被認(rèn)為是建造太空電梯纜繩的理想材料；在設(shè)計(jì)方面，科學(xué)家目前已提出8個比較穩(wěn)健、合理的科學(xué)設(shè)計(jì)方案；在工程方面，一些國家的科學(xué)家已開展一些小型實(shí)驗(yàn)并準(zhǔn)備深入驗(yàn)證。我國清華大學(xué)魏飛教授團(tuán)隊(duì)曾成功制備出世界上最長的、單根長度達(dá)半米以上的碳納米管，創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄。相關(guān)內(nèi)容近日在線發(fā)表在國際著名期刊《美國化學(xué)會納米》上。

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藝術(shù)家筆下通往天堂的太空電梯

國際太空電梯聯(lián)盟主席斯旺在2021年11月介紹：根據(jù)目前設(shè)計(jì)，太空電梯攀爬速度約為每小時200千米。未來，隨著纜繩加長、轎廂攀爬速度加快，預(yù)計(jì)8天可到達(dá)地球同步軌道，14天可到達(dá)月球，61天可到達(dá)火星。斯旺認(rèn)為，未來人類建火星村、月球村需要發(fā)射大量物資到太空，星際旅行也備受期待，太空電梯非常具有商業(yè)競爭力。太空電梯用太陽能驅(qū)動，不像發(fā)射火箭那樣消耗大量化學(xué)燃料，而且太空電梯產(chǎn)生空間碎片的可能性很小，是一條綠色天路。

國際太空電梯聯(lián)盟副主席萊特稱，火箭發(fā)射不會因此被拋棄，因?yàn)榛鸺忍针娞菟俣雀欤苎杆俅┰捷椛鋷?，已?jīng)有人提出以“太空電梯+火箭”的方式運(yùn)輸，實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)。

根據(jù)目前的科技水平和發(fā)展速度看，有人預(yù)計(jì)太空電梯將在2050—2100年投入業(yè)務(wù)運(yùn)營。

參考資料：

美國“天梯”工程將于多久完工？

差不多要10年　 添加新圖片天梯，又譯空間電梯，是一種低成本將有效載荷從地球或其它星球太空電梯設(shè)計(jì)圖的表面運(yùn)輸?shù)娇臻g的解決方案。這個方案旨在建造一部稱作天梯的運(yùn)輸工具。 對于建造在地球上的天梯，平衡錘需要位于距離地面至少3.6萬千米上空，使用3.6萬千米長的纜繩與地面連接。這種纜繩必須十分結(jié)實(shí)，目前已經(jīng)的材料中，只有碳納米管可以勝任。包括平衡錘和纜繩的質(zhì)心位于地球同步軌道的高度，同時為了保證整個裝置固定，地面基站通常建造在赤道附近，同時應(yīng)該盡量選擇商業(yè)飛行較少的區(qū)域，以避免飛機(jī)與纜繩或貨艙相撞，同時纜繩和貨艙還必須能夠抵御來自風(fēng)和閃電的襲擊。對于建造在月球上的天梯，要求相比地球要低，因?yàn)樵虑蛑亓^小，且沒有大氣因素影響，自轉(zhuǎn)速度較慢，且為同步自轉(zhuǎn)。這種條件下，平衡錘可以建造在月球和地球的引力中點(diǎn)，即月球的拉格朗日點(diǎn)上。天梯的概念最初出現(xiàn)在1895年，但是甚至就在幾年前，它還僅僅只是一種科學(xué)幻想，因?yàn)檎也坏揭环N合適的材料來制造足夠強(qiáng)度的纜繩。隨著近年納米技術(shù)取得的突破性進(jìn)展，建造一部現(xiàn)實(shí)的天梯已經(jīng)成為可能，預(yù)計(jì)其建造成本約100億美元，遠(yuǎn)少于超過國際空間站或航天飛機(jī)計(jì)劃的投資。 組成 平衡錘：平衡錘是一個比較重的物體，放置于同步軌道上方。 纜繩：纜繩是一條十分長且結(jié)實(shí)的繩子，上粗下細(xì)，用于連接地面與平衡錘。 貨艙：貨艙用于裝載貨物，它可以順著纜繩在空間和地面之間上下移動。 地面基站：地面基站用于將纜繩固定在地面上，并為貨艙的移動提供能源，能量通過激光傳送到貨艙。 核心部件 天梯概念藝術(shù)圖天梯的核心部件將是碳納米管合成纜繩，它只有幾厘米寬，幾乎只有一張紙那么厚。碳納米管發(fā)現(xiàn)于1991年，它的發(fā)現(xiàn)使科學(xué)家認(rèn)為天梯是能夠建成的。Spaceward Foundation的布拉德利·愛德華茲（Bradley Edwards）博士稱，“以前，找到合適的材料難度太大了。但現(xiàn)在，我們離實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)越來越近，因?yàn)樵谥圃焯技{米管和有效的拉絲機(jī)方面都取得了進(jìn)展，這種拉絲機(jī)能將制作伸向太空的纜繩所需的材料拉得足夠長?！?碳納米管在強(qiáng)度上可能會比鋼高100倍，但卻像塑料一樣柔韌。碳納米管之所以會有如此高的強(qiáng)度，是因?yàn)樗鼈兙哂蓄愃朴谧闱虻莫?dú)特結(jié)構(gòu)。一旦科學(xué)家們能夠用碳納米管制成纖維，那么就有可能制作出形成天梯纜繩所需的細(xì)絲。以前考慮的材料要么是強(qiáng)度不夠，要么是不夠柔韌，無法制成纜繩，而且易斷。 太空電梯公司的研究主管湯姆·紐金特（Tom Nugent）說，“這種材料具有非常高的彈性模量，并且它們的抗張強(qiáng)度也非常高，而且，理論上使天梯相對容易建造的所有材料特性，這種材料都具備了?！?有兩種方法可以制作纜繩： 用數(shù)米或更長的長碳納米管編成類似繩子的結(jié)構(gòu)。截至2005年，最長的納米管也只有幾厘米長。 可以將較短的納米管置入到聚合物基中。目前的聚合物與碳納米管之間結(jié)合得不夠緊密，因而在拉緊時會將基質(zhì)拉離碳納米管。 一旦制作出長碳納米管纜繩，就會將它纏成一個軸狀物發(fā)射到軌道中。當(dāng)太空船載著這個軸狀物飛至特定高度（可能是近地軌道）時，它就會開始將這個軸狀物散開，使纜繩落回到地球上。同時，這個軸狀物會繼續(xù)向上運(yùn)動到更高的高度。當(dāng)纜繩落入地球的大氣層時，就會有相應(yīng)的裝置捕捉到它并使它繼續(xù)下落，最后將它錨定到海洋中的一個移動平臺上。這條纜繩有點(diǎn)像鐵軌，將用作進(jìn)入太空的航線。這樣，就可以用機(jī)械升降機(jī)順著這條纜繩上升到太空中。 使用 升降機(jī)盡管纜繩仍是一個處在概念階段的部件，但天梯的所有其太空電梯設(shè)計(jì)圖他部件均可以利用現(xiàn)有的技術(shù)制造出來，這些部件包括機(jī)械升降機(jī)、錨站和光束動力系統(tǒng)。到纜繩制造出來時，其他部件也差不多都準(zhǔn)備好了，在2018年左右即可實(shí)現(xiàn)發(fā)射。 升降機(jī) 機(jī)械升降機(jī)將順著纜繩升入太空。升降機(jī)上的滾輪夾緊纜繩，滾輪胎面與纜繩之間的摩擦力往下拉繩索，這樣，摩擦力產(chǎn)生的反作用就會使升降機(jī)得以順著天梯向上攀爬。 錨站 錨定平臺天梯的下端將連在赤道附近的太平洋海域中的一個移動平臺上，該平臺將纜繩錨定在地球上。 平衡站 纜繩的最頂端將有一個很重的平衡站。在早期的天梯計(jì)劃中，曾考慮捕捉一顆小行星并將它用作平衡站。但是，在太空電梯公司和科學(xué)研究所（ISR）最近關(guān)于天梯的計(jì)劃中，多數(shù)還是考慮使用人造平衡站。實(shí)際上，可以將用來制造纜繩的設(shè)備（包括用來發(fā)射纜繩的太空船）組裝成平衡站。 動力光束 升降機(jī)將利用位于錨站或錨站附近的自由電子激光系統(tǒng)來提供動力。ISR稱，這種激光會將2.4兆瓦特的能量傳送給附著在升降機(jī)上的光電池，這種光電池可能由砷化鎵（GaAs）制成，然后光電池可以將這些能量轉(zhuǎn)化成電能以供傳統(tǒng)的鈮磁直流電電動機(jī)使用。 一旦投入使用，升降機(jī)幾乎每天都可以在天梯上往返運(yùn)動。升降機(jī)的大小各異，最初為5噸，最大可達(dá)20噸。20噸重的升降機(jī)的有效載荷可達(dá)13噸，其內(nèi)部有900立方米的空間。升降機(jī)將以約190公里/小時的速度順著纜繩向上運(yùn)載貨物，所運(yùn)貨物從人造衛(wèi)星到太陽能電池板，五花八門，最后它還將載人上天。 保持正常運(yùn)轉(zhuǎn) 位于100,000公里的高空中時，天梯將很容易遭到包括天氣、空間碎片和恐怖分子在內(nèi)的許多危險因素的破壞。隨著天梯從計(jì)劃階段走向設(shè)計(jì)階段，開發(fā)人員開始考慮這些危險因素及相應(yīng)的克服辦法。實(shí)際上，為了確保始終都有可以使用的天梯，開發(fā)人員計(jì)劃建造多個天梯。從第一個天梯開始，后續(xù)天梯的建造成本將依次遞減。第一個天梯將用作其他天梯的建造平臺。開發(fā)人員通過這樣做來確保在某一個天梯遇到問題的情況下，其他天梯仍能繼續(xù)向太空運(yùn)送人員和物資。 避開空間碎片 與空間站或宇宙飛船一樣，天梯將需要具備避開碎片、人造衛(wèi)星等軌道物體的能力。錨定平臺將采取主動回避措施來保護(hù)天梯免遭此類物體的破壞。目前，北美防空司令部（NORAD）所跟蹤物體的大小都在10厘米以上。保護(hù)天梯需要配備軌道碎片跟蹤系統(tǒng)，它能夠探測到大小為1厘米左右的物體。目前正在為其他空間計(jì)劃開發(fā)這項(xiàng)技術(shù)。 “我們的計(jì)劃是將纜繩錨定到海洋中的一個移動平臺上，”太空電梯公司的湯姆·紐金特（Tom Nugent）說，“實(shí)際上你可以來回移動錨定點(diǎn)的位置，從而將纜繩拉離人造衛(wèi)星的航道。” 防御攻擊 將天梯置于偏遠(yuǎn)位置將是降低恐怖分子攻擊風(fēng)險的最佳方法。舉例來說，第一個錨定點(diǎn)將位于赤道附近的太平洋海域，與任何空中航線或海洋航線的距離至少為650公里，這是太空電梯公司透露的信息。任何攻擊都只能威脅到天梯的一小部分裝置，即15公里處及以下的所有裝置。此外，天梯將是十分寶貴的全球資源，可能會受到美國及其他國家/地區(qū)軍隊(duì)的保護(hù)。 研究進(jìn)展 太陽景觀的概念藝術(shù)圖天梯對全球帶來的潛在影響力堪與另一項(xiàng)偉大的運(yùn)輸成就美國洲際鐵路相媲美。這條洲際鐵路于1869年在美國猶他州的普瑞蒙特瑞（Promontory）竣工，它首次連通了美國的東海岸和西海岸，加快了美國西進(jìn)運(yùn)動的進(jìn)程。這條鐵路建成后，橫貫全美的旅行只需幾天就可以完成，而在此之前則需數(shù)月。它還開拓了新的市場，諸多全新的產(chǎn)業(yè)皆因它而興起。到1893年，美國已建成五條洲際鐵路。 天梯這一想法與洲際鐵路有許多相通之處。天梯將開創(chuàng)地球與太空之間永恒的連通之門，這道門永遠(yuǎn)都不會關(guān)閉。雖然它不會加快太空之行的速度，卻能使太空與地球之間的往來更為頻繁，并將開創(chuàng)一個嶄新的發(fā)展時代。天梯的建成將大大降低向太空運(yùn)送貨物的成本，或許這就是促成天梯這一想法的最大動力。盡管天梯的升降機(jī)比采用化學(xué)推進(jìn)的宇宙飛船慢，但這種升降機(jī)卻將每公斤的發(fā)射成本從22000到44000美元降到900美元左右。 據(jù)“天梯——NIAC第二階段最終研究報告”（The Space Elevator, NIAC Phase II Final Report）的作者布拉德利·愛德華茲透露，目前估算的天梯建造成本為60億美元，法律法規(guī)方面的費(fèi)用為40億美元（愛德華茲就是布拉德利·卡爾·愛德華茲博士，他是“碳設(shè)計(jì)”（Carbon Designs）公司的總裁和創(chuàng)始人。）。相比之下，1971年預(yù)測的宇宙飛船計(jì)劃的成本為52億美元，但最終卻耗費(fèi)了195億美元。此外，宇宙飛船每飛行一次都要耗費(fèi)5億美元，這一數(shù)字超過當(dāng)初估算的50多倍。 天梯可能會取代宇宙飛船成為主要的航天器，并將用于人造衛(wèi)星部署、國防、旅游和其他開發(fā)。再往后，太空船將順著天梯的纜繩攀升至太空中，然后再朝向其主目標(biāo)發(fā)射。這種發(fā)射方式所需的燃料更少，因?yàn)樗∠铝瞬捎脗鹘y(tǒng)方式發(fā)射時沖出地球大氣層所需要的部分燃料。有些設(shè)計(jì)人員還認(rèn)為，天梯可以建在包括火星在內(nèi)的其他行星上。 NASA曾資助愛德華茲博士的研究長達(dá)三年。但在2005年，它僅給研究天梯的各家公司提供了2800萬美元的獎金。盡管它仍然非常關(guān)注這一計(jì)劃，但眼下它更愿意靜觀其變，等待出現(xiàn)更為實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。

太空電梯將成現(xiàn)實(shí)，穿梭太空僅需數(shù)小時，為什么科學(xué)家卻感到擔(dān)憂不已？

無論是在中國還是國外，高層建筑一般都配備電梯，這大大方便了居民太空電梯設(shè)計(jì)圖的進(jìn)出。從這個角度來看，電梯也被認(rèn)為是20世紀(jì)的一項(xiàng)偉大發(fā)明。一些科學(xué)家認(rèn)為電梯的應(yīng)用不僅僅局限于地球，也許將來人類可以將其應(yīng)用于航天工業(yè)。當(dāng)許多網(wǎng)民聽到這個想法時，太空電梯設(shè)計(jì)圖他們不禁要問:這是什么樣的天馬行空的想象？事實(shí)上，一些科學(xué)家已經(jīng)提議在太空“安裝”電梯，這可以極大地方便人類在地球和太空之間穿梭。

據(jù)說提出這個想法的科學(xué)家來自日本。經(jīng)過大量的研究和仿真設(shè)計(jì)，他終于提出了一種叫做“太空電梯”的模型?？臻g電梯不同于模型中高層建筑使用的電梯。它由四部分組成，即底座、繩索、電梯艙和空間站。底座固定在地面上，電纜連接底座和空間站，為升降艙提供升降空間。電梯艙是運(yùn)送人類的交通工具，它的目的地是空間站。這位日本科學(xué)家表示，如果該模型成功應(yīng)用于航天工業(yè)，將大大減少空間事故的發(fā)生。

許多網(wǎng)民表達(dá)了對日本科學(xué)家大腦的欽佩，并且可以想到這樣一種裝置。事實(shí)上，日本十年前就已經(jīng)提出了“太空電梯”的概念，并且還成立了相關(guān)的協(xié)會。

然而，日本提出“太空電梯”計(jì)劃已經(jīng)有十年了。從目前的情況來看，這個項(xiàng)目進(jìn)展不大。原因之一是找不到合適的材料來制作繩索。因?yàn)榈厍蛞恢痹谛D(zhuǎn)，如果你想建造太空電梯，你還必須讓電梯隨地球一起旋轉(zhuǎn)，這是對太空電梯繩索的巨大考驗(yàn)。根據(jù)對硬度和韌性的要求，日本科學(xué)家還沒有找到合適的材料。

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