太空电梯的建造挑战与迟迟未能实现的原因

我们的梦想是登上星空，但低效的火箭技术使我们无法探索外太空。因此，有人提出了太空升降机的想法，也就是说，我们可以在地球表面建造一个直接通往太空的升降机，这将使我们以极低的能源消耗摆脱地球的引力，使人类更容易进入太空，从而开创一个新的太空探索时代。太空电梯应该如何建造？从理论上讲，有两种思考方式--从地面升起的巨塔或从太空下降的悬梯，但从实际情况来看，我们似乎不得不选择第二种方式。

想象一下，我们手中有一根普通的吸管，举起一端并将其夹在桌子上，然后用手压住（轴向）另一端，发现我们可以在没有太大力量的情况下将吸管弯曲。(注意：这种现象被称为不稳定性，它是指一根细长的直杆被达到或超过临界不稳定压力的轴向力所变形，从而不能保持平衡。(在其他条件相同的情况下，临界不稳定压力与杆的长度的平方成反比，即如果杆的长度增加1倍，临界不稳定压力变成原来的四分之一。

)然而，如果我们用力拉动稻草，我们会发现，即使我们施加很大的力量，也很难使其明显变形。因此，如果我们必须建造一个太空升降机，最好的方法是将其建成一个悬梯，从太空中下降，只需要有张力，没有压力，从而避免了不稳定现象造成的巨大问题。这种悬梯如何在太空中固定？卫星在绕地球运行时受到两个力的作用，一个是地球引力，它指向地球中心，另一个是由卫星运动的惯性产生的离心力（注意：这是一个虚拟的力），它的方向与地球引力相反。

如果这两个力的大小相等，那么卫星就可以在没有外力的情况下围绕地球运行，不会坠落或飞走。在这种情况下，如果一颗卫星的旋转周期正好等于地球的旋转周期，而且它的运动方向与地球的旋转方向相同，那么从地面上看，这颗卫星似乎是在地球上空盘旋静止。这样的卫星被称为地球同步卫星，其轨道被称为地球同步轨道，它位于地球赤道上空，高度约为35,786公里。可以看出，如果我们把空间升降机的顶部定义为地球同步卫星，那么这个悬梯就可以固定在空间，考虑到在地面上连接到空间升降机的电缆的质量增加了地球对轨道飞行器的引力，所以还需要增加相应的离心力作为配重，我们如何做到这一点？一个简单的方法就是在轨道的外侧增加额外的配重。

建造一个太空电梯有多难？这是建造太空升降机的基本想法，理论上是可行的，但为什么人类至今还没有建造一个？事实上，最大的困难是空间升降机电缆的材料问题。(从前面的介绍中我们知道，太空电梯的缆绳要承受拉力的考验，一边是地球的引力，另一边是离心力），而靠近地球同步轨道的缆绳承受的拉力最大，材料的密度不同，拉力的强度也不同，其单位面积的拉力这可以用公式ρx4.85x10^7来计算（注：ρ代表材料的密度）。

钢是一种常见的材料，其密度约为7.85x10^3kg/m3，这意味着如果我们用钢作为太空电梯的缆绳材料，它的抗拉强度为每平方米截面3.8x10^11牛顿（即380GPa），但实际上钢的抗拉强度只有约410MPa（4.1x10^8Pa），这要低三个数量级。这是三个数量级的小。这表明空间升降机电缆的要求是多么苛刻，那么是否有一种材料可以满足这些要求呢？答案是肯定的。1991年，科学家发现了一种奇特的碳结构--碳纳米管。这种结构可以被看作是一种一维的纳米材料，碳原子以几乎完美的六边形结构结合在一起，这使得碳纳米管具有极高的抗拉性能，理论上的抗拉强度可达300GPa。

重要的是，碳纳米管的密度也很低--即使是多壁碳纳米管的密度也只有约2.1x10^3kg/m3，将其放入上述公式中，需要超过101.85GPa的抗拉强度，这比碳纳米管的理论抗拉强度低得多，如果这种材料用于制造太空电梯的电缆。不幸的是，尽管碳纳米管可以帮助人类克服建造太空电梯的重大挑战，但它们仍然只是一种实验室产品，而且有史以来最大的碳纳米管也只有0.5米长。简而言之，在建造35786公里长的碳纳米管之前，我们还有很长的路要走，即使是最乐观的估计也表明，要实现这一目标还需要30年，换句话说，在2050年代，我们才能建造出第一个太空电梯。

好了，今天就讲到这里，请关注我们，下次见，