，，中科院物理所，回答于 2023-01-21，，《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(zhǎng)篇科幻小說(shuō)《三體》的動(dòng)畫(huà)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(kāi)始在全國(guó)各大影院閃亮登場(chǎng)，它們有一個(gè)共同特點(diǎn)，就是里面都有太空電梯的場(chǎng)景，太空電梯只是科幻嗎？
本篇文章給大家談?wù)劻骼说厍?太空電梯設(shè)計(jì)圖，以及流浪地球2對(duì)應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)，希望對(duì)各位有所幫助，不要忘了收藏本站喔。
本文目錄一覽：
流浪地球2的太空電梯是什么
是一座巨大的電梯。太空電梯是電影《流浪地球2》中的一座巨大的電梯，其底端位于地表，頂端則位于高度約36000Km同步軌道(也被稱為地球靜止軌道)。在《流浪地球2》中，“太空電梯”長(zhǎng)達(dá)9萬(wàn)公里，是“人類歷史上最高的建筑物”。
流浪地球2硬科技能否實(shí)現(xiàn)
流浪地球2的太空電梯存在技術(shù)可行性流浪地球2太空電梯設(shè)計(jì)圖，但難度依然很大，是否能夠?qū)崿F(xiàn)，還有待觀察。
《流浪地球2》是系列電影中首次出現(xiàn)了太空電梯這一設(shè)施。航天員乘坐的飛行器，就像普通人乘坐的電梯一樣通過(guò)某種材料制成的“纜繩”上下往返于空間站和地面。實(shí)際上“太空電梯”這一設(shè)想并非《流浪地球2》獨(dú)創(chuàng)，其很早就出現(xiàn)在各類科幻小說(shuō)、電影等作品中。
現(xiàn)實(shí)中要實(shí)現(xiàn)“太空電梯”是存在技術(shù)可行性的，但主要難點(diǎn)在于要找到合適的材料。受限于工作環(huán)境，一根太空電梯的電纜需要有足夠大的強(qiáng)度，還要能承受宇宙中的各種極端條件等。
流浪地球2的機(jī)器人和外骨骼能應(yīng)用流浪地球2太空電梯設(shè)計(jì)圖：
在電影中，還出現(xiàn)了外骨骼以及各種形式的機(jī)器人這樣的裝備。例如電影中用于工程建設(shè)時(shí)的工程外骨骼，以及輔助軍人、航天員作戰(zhàn)、工作的特種外骨等。
機(jī)器人方面，有外型類似小狗的月面機(jī)器人，還有門(mén)型機(jī)器人等。這些機(jī)器人能夠適應(yīng)不同環(huán)境、不同工作場(chǎng)景輔助人類，甚至在危機(jī)時(shí)刻還能起到救死扶傷的作用。其實(shí)外骨骼和機(jī)器人早已經(jīng)在現(xiàn)實(shí)世界中的多個(gè)領(lǐng)域開(kāi)始應(yīng)用。
太空電梯是哪個(gè)小說(shuō)
《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(zhǎng)篇科幻小說(shuō)《三體》的動(dòng)畫(huà)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(kāi)始在全國(guó)各大影院閃亮登場(chǎng)。它們有一個(gè)共同特點(diǎn)，就是里面都有太空電梯的場(chǎng)景。太空電梯只是科幻嗎？會(huì)有真正實(shí)現(xiàn)的那一天嗎？
撰文 ｜ 龐之浩
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國(guó)外科幻片中的太空電梯
記得小時(shí)候看過(guò)一本18世紀(jì)德國(guó)著名的兒童文學(xué)作品，書(shū)名為《吹牛大王歷險(xiǎn)記》。書(shū)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(zhǎng)很快，不久就長(zhǎng)到天上去了。他順著豆藤向上爬，僅一個(gè)多小時(shí)，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。幻想總是那么美麗。不過(guò)，這美麗的幻想，或許真的能照進(jìn)現(xiàn)實(shí)。
很久以來(lái)，人類就夢(mèng)想通過(guò)建造太空電梯上天，并一直不斷努力。有研究表明，這個(gè)夢(mèng)想將在本世紀(jì)實(shí)現(xiàn)。2021年11月，國(guó)際太空電梯聯(lián)盟主席斯旺表示，未來(lái)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(tái)上，另一端緊緊抓住距地面約3.6萬(wàn)千米、在地球靜止軌道上運(yùn)行的航天器，就可使一個(gè)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(guó)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(guò)消耗大量燃料來(lái)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(wàn)美元。
雖然太空電梯造價(jià)昂貴，但不需要?jiǎng)佑么罅咳剂?，因此建成之后的運(yùn)行費(fèi)用比運(yùn)載火箭低兩個(gè)量級(jí)，且可像高速公路一樣24小時(shí)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(guó)一項(xiàng)測(cè)算顯示，用太空電梯運(yùn)送1個(gè)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(guó)際宇航科學(xué)院秘書(shū)長(zhǎng)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(wàn)美元更便宜的多。
太空電梯的概念最早由俄國(guó)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(gè)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(guó)早期太空預(yù)言家塔斯安德?tīng)栆蔡岢鲈诘厍蚺c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(kāi)來(lái)，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(kāi)始為第一個(gè)太空繩索設(shè)備做準(zhǔn)備，打算用一條鋼纜將聯(lián)盟號(hào)宇宙飛船與運(yùn)載火箭的末級(jí)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(shuō)《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(wèn)題，最大的挑戰(zhàn)在于沒(méi)有人能造出數(shù)萬(wàn)千米長(zhǎng)的超強(qiáng)纜繩。
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用氣球試驗(yàn)太空電梯繩索
后來(lái)，在2003年9月15日在美國(guó)圣達(dá)菲召開(kāi)的研討會(huì)上，俄羅斯和美國(guó)等國(guó)家的70多位科學(xué)家和工程師對(duì)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(gè)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(guó)電梯港集團(tuán)公司的太空電梯廣告
其中，美國(guó)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(gè)小時(shí)內(nèi)抵達(dá)10萬(wàn)千米外的太空。一旦建成，目前地球上運(yùn)程最長(zhǎng)、達(dá)800多米的迪拜塔電梯無(wú)疑將被遠(yuǎn)遠(yuǎn)甩入塵埃。
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基本原理簡(jiǎn)單
2018年9月25日，日本用貨運(yùn)飛船把一對(duì)用于世界首次太空電梯試驗(yàn)的立方體衛(wèi)星送往“國(guó)際空間站”。接著又從“國(guó)際空間站”釋放了這對(duì)邊長(zhǎng)為10厘米的立方體衛(wèi)星，它們之間用長(zhǎng)約10米的纜索連接；然后嘗試把一個(gè)像電梯吊箱的容器通過(guò)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的纜索從一端移動(dòng)到另一端。
這是人類首次在太空中移動(dòng)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(zhǎng)長(zhǎng)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(yáng)能或激光能沿纜繩上下運(yùn)動(dòng)。
具體說(shuō)就是用一根粗大的吊索，一端固定在位于地球赤道的平臺(tái)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(gè)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(dòng)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(gè)巨大的港口，世界各地的旅客和物資通過(guò)海、陸、空交通運(yùn)輸源源不斷地來(lái)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(jià)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(zhǎng)的繩子來(lái)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(jiǎn)單的方法是在電梯艙上裝馬達(dá)，帶動(dòng)夾著纜索的一組輪子轉(zhuǎn)動(dòng)，從而取得向上的拉動(dòng)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(huì)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(yáng)電池板，然后從地面發(fā)射激光將電梯艙“射”上去。
其上升動(dòng)力有多種方案，可采用太陽(yáng)能、核能和電磁場(chǎng)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(tīng)起來(lái)很美，但如何構(gòu)建它呢？
首先，要建造一個(gè)基座平臺(tái)，這個(gè)平臺(tái)要位于一個(gè)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(tái)相連接，同時(shí)，另一端連接位于太空的航天器上展開(kāi)。地球自轉(zhuǎn)時(shí)，太空電梯纜索就會(huì)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(dòng)力加以推動(dòng)。它將建造成為管狀形的通道，沿軌道來(lái)回運(yùn)行時(shí)，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(guó)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(guó)航空航天局太空電梯首席科學(xué)家愛(ài)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(guó)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(guó)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(cè)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(zhǎng)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(guó)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(guó)際空間站”通過(guò)一根大約400千米長(zhǎng)的纜繩送回地球。雖然纜繩很長(zhǎng)，但其重量不會(huì)超過(guò)6千克，是用特別材料制成的。進(jìn)入大氣層后，纜繩會(huì)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(guó)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(wàn)千米長(zhǎng)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(gè)地方的基站，而另一端將連接到一個(gè)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(dòng)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(duì)開(kāi)。
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(lái)的任何物體的撞擊。為此，太空電梯的概念提出后的很長(zhǎng)一段時(shí)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(guó)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(zhǎng)達(dá)10萬(wàn)千米的納米碳管制成，每條納米碳管含有7.2×1017個(gè)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(huì)因自重而斷裂，可以用來(lái)為太空太陽(yáng)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(kāi)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(lái)的，這是一種名為巴基球的特殊原子結(jié)構(gòu)。在研究過(guò)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(jí)時(shí)，它的物理特性如電、磁、熱、強(qiáng)度等都會(huì)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(shuō)，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(gè)長(zhǎng)18米，直徑7.2米的橢圓柱形電梯間組成，時(shí)速約200千米，每次可運(yùn)送旅客30位。該項(xiàng)目拉動(dòng)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(gè)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(gè)起平衡作用的鉛墜。太空電梯電纜的中間部位是一個(gè)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(zhǎng)度將達(dá)到9.6萬(wàn)千米。
機(jī)廂在向太空爬升過(guò)程中的動(dòng)力問(wèn)題是巨大的挑戰(zhàn)。日本擬采用新干線列車技術(shù)來(lái)解決太空電梯進(jìn)入太空的動(dòng)力問(wèn)題。日本太空升降艙協(xié)會(huì)有關(guān)負(fù)責(zé)人甚至不無(wú)樂(lè)觀地說(shuō)，希望未來(lái)就像出國(guó)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(wàn)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(guó)科學(xué)家皮爾遜曾制定過(guò)一個(gè)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(gè)“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(shí)，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(lái)的危險(xiǎn)，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(yáng)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(huà)：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(xiǎn)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(huì)覺(jué)得皮爾遜的想法過(guò)于瘋狂，但美國(guó)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(wàn)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(guó)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(wàn)千米處垂向月球表面的月球太空電梯，因?yàn)樵虑虻囊π。⑶以虑蛏匣緵](méi)有空氣，所以可以大大降低對(duì)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(mèng)想。
從理論上講，制造月球太空電梯的材料會(huì)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(gè)面朝地球的地點(diǎn)。不過(guò)，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(lái)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(lái)有一天，人類只需經(jīng)過(guò)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(wèn)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(lái)，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(tái)，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(jí)平臺(tái)，而且航天器還可以返回塔頂平臺(tái)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(zhǎng)期以來(lái)，工程師們一直認(rèn)為太空電梯研制難度太大，因?yàn)闆](méi)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(kāi)了這個(gè)問(wèn)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。
SAIXIANSHENG
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(jí)制品，距實(shí)用差距甚遠(yuǎn)。從理論上說(shuō)，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(wú)法用碳納米管編織出長(zhǎng)長(zhǎng)的纜繩。此外，每克碳納米管就價(jià)值500美元，要制造出一條10萬(wàn)千米長(zhǎng)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(yáng)風(fēng)向太空電梯施加壓力時(shí)，來(lái)自月球和太陽(yáng)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(huì)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(dòng)，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(chǎng)可以自然地削弱太空電梯的搖擺振動(dòng)，用活動(dòng)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(guò)程中，航天員們可能會(huì)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(huì)受到高強(qiáng)度射線的照射。此前，對(duì)于從事高軌道航天飛行的航天員們來(lái)說(shuō)，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?cè)┰竭@一地區(qū)。由于當(dāng)時(shí)飛船的速度很快，因此他們受到射線照射的時(shí)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(huì)超過(guò)200千米/小時(shí)。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(shí)間。對(duì)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(gè)防護(hù)層。但這會(huì)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(huì)受到太空垃圾的襲擊
另一種解決方案是將起始平臺(tái)設(shè)在遠(yuǎn)離赤道的地區(qū)，這樣輻射帶的強(qiáng)度就不會(huì)太過(guò)強(qiáng)烈。但專家們認(rèn)為，即使這樣，仍無(wú)法確保航天員不會(huì)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(huì)使固定太空電梯的纜繩偏向南方，同時(shí)，它還會(huì)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(chǎng)。通過(guò)這種方式將可有效抵御各種危險(xiǎn)的射線。但此舉會(huì)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(huì)面臨許多安全問(wèn)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(duì)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(wú)雷區(qū)，因?yàn)榈厍蛏嫌行┑貐^(qū)常年無(wú)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(duì)付太空碎片的辦法是：對(duì)太空垃圾進(jìn)行密切的跟蹤和監(jiān)視；采用移動(dòng)基站，使纜索避開(kāi)太空垃圾的撞擊；在500～1700千米這一段增加纜索的厚度。對(duì)付颶風(fēng)的辦法是將基座建在沒(méi)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(guò)難，成本過(guò)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(wèn)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(shí)代。
SAIXIANSHENG
結(jié)語(yǔ)
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(gè)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(guó)家的科學(xué)家已開(kāi)展一些小型實(shí)驗(yàn)并準(zhǔn)備深入驗(yàn)證。我國(guó)清華大學(xué)魏飛教授團(tuán)隊(duì)曾成功制備出世界上最長(zhǎng)的、單根長(zhǎng)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(guó)際著名期刊《美國(guó)化學(xué)會(huì)納米》上。
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藝術(shù)家筆下通往天堂的太空電梯
國(guó)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(shí)200千米。未來(lái)，隨著纜繩加長(zhǎng)、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(lái)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(jìng)爭(zhēng)力。太空電梯用太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)，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(guó)際太空電梯聯(lián)盟副主席萊特稱，火箭發(fā)射不會(huì)因此被拋棄，因?yàn)榛鸺忍针娞菟俣雀?，能迅速穿越輻射帶，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(yíng)。
參考資料：
流浪地球2太空電梯設(shè)計(jì)圖的介紹就聊到這里吧，感謝你花時(shí)間閱讀本站內(nèi)容，更多關(guān)于流浪地球2、流浪地球2太空電梯設(shè)計(jì)圖的信息別忘了在本站進(jìn)行查找喔。
