中國明年給太空通網。網友:通往太空的電梯啥時候能建?答案來了!

2020-12-16 騰訊網

本文綜合自《知識就是力量》雜誌、央視新聞

中國明年給太空通網！

據央視新聞報導，

我國首個天基網際網路系統——

「虹雲工程」將於明年投入示範應用。

央視新聞：我國首個天基網際網路系統明年投入應用

消息一出，

不少網友紛紛點讚：厲害了我的國

也有網友發問：

太空都能上網了，人什麼時候能搬上去？

那怎麼去太空呢？

你的第一反應是不是搭火箭？

在未來，也許會有更快捷的方式。

那時你只需走進電梯，按下按鈕，

就可以直接升入太空了！

那麼問題來了，把電梯送上太空需要幾步？

Step 1

擁有一個太空旅行夢

早在1895年，太空電梯的概念就由蘇聯科學家，航天學之父齊奧爾科夫斯基（Konstantin Tsiolkovsky）提出。他受當時新建的艾菲爾鐵塔的啟發，開始認為，如果該塔能夠建造到3.6萬千米的高度，那麼它將直接進入地球靜止軌道，因此不需要火箭就可將宇宙飛船送入太空。

雖然太空電梯造價昂貴，但建成之後的運行費用會比運載火箭低兩個量級，且可以24小時連續運轉。英國的一項測算顯示，用太空電梯運送1個人和貨物的費用相當於太空梭運費的0.25％。齊奧爾科夫斯基提議在地球靜止軌道上建設一個太空城堡，和地面用一根纜繩連接起來，然後便可以像電梯一樣向太空運輸人和物。

Step 2

設計電梯的構造

要組裝一個往來於宇宙間的電梯都需要什麼零件呢？其實我們可以以普通的電梯為範例來考慮，那麼太空電梯主要由4個部分組成，即地面基座、纜繩軌道、載人艙和空間站，布局也與普通電梯相似。

太空電梯組成示意圖

基座

基座基本上是在赤道上，前文我們提到過，對於太空電梯最初的設想就是將電梯的另一端設置在地球同步軌道上，因為這樣的話，以地球同步衛星（同步衛星都必須在赤道上空）為電梯另一端時，垂下的距離最短，這種叫「固定式」。此外還有人提出「飄移式」，這樣基座就無須在赤道上了。

纜繩

纜繩，或許稱之為纜帶更為合適，因為如今的設計都傾向於使用一條扁長的「纜繩」。由於考慮到受力和節省重量等原因，這條纜帶的粗細也會是變化的——在地球同步軌道處，纜帶所承受的拉力是最強的，因此纜繩在這裡最粗，然後向兩端變細。目前大家公認阻撓太空電梯發展的最大因素是纜帶的材質問題。

載人艙

載人艙也就是相當於電梯轎廂的部分。太空電梯畢竟不是傳統電梯，從天上垂一根超長的繩子下來把電梯吊上去是不太可能的，因此需要電梯自已想辦法爬上去。目前，對於「爬上去」有兩種想法：一是在載人艙上裝上電動機，但是需要電力，這也會增加載人艙的重量；二是利用光能推動載人艙上升，但這不會是普通的光能夠實現的，恐怕需要開發更強的光能。

太空天梯的載人艙類似普通的電梯轎廂

空間站

空間站是必須的，就像你如果只旋轉一條繩子的話很難轉起來，但在末端加一個小球就很容易了。事實上，理想的太空站不是放在同步衛星軌道上，而是更高一點的位置，這樣可以使整條纜繩和太空站的重心正好在地球同步軌道上，因此才不會發生偏離。

Step 3

克服這些物理難關

太空電梯原理的關鍵是離心力，實際應用的關鍵是材料強度。

離心力問題

想想過山車，過山車上升到最高點時，裡面的乘客是頭朝下的，但不會掉下來，為什麼？因為離心力抵消了你受到的重力！

相似的還有一個有趣而形象的例子：一個人抓住繩子的一端，繩子另一端繫著一顆球，他使繩子擺動成一個圓圈（好似投擲鏈球的前奏）。在繩子靠近他手心的一端，一隻螞蟻沿著繩子爬向系球的一端，只要它不斷向前爬，就可以到達那個小球上，而不需要火箭一樣的助推力。這就是太空升降機的原理。

如果太空電梯的頂端離地球夠遠，轉動的線速度夠快，那麼天梯的頂端就不會掉下來，反而有可能會被甩出去。我們的太空電梯系統由纜繩連接空間站，然後整個系統通過地球的自轉甩起來，在3.6萬千米外的太空艙的切向線速度幾乎是26.7萬千米/天。只要甩得夠快，纜繩就會是繃直的，當然此時的纜繩要受到巨大的剪切應力和沿繩的拉伸力。比較理想的情況，就如前面說的，是找到一個合適的高度，使電梯系統受到的離心力略大於重力，這樣既可以維持纜繩垂直，又不至於因為離心力太大將電梯甩出去。

纜繩材料問題

建造太空電梯最大的挑戰，在於找到製造電梯纜繩的材料。一根普通的鋼絲從9千米的高空中垂下來會被自重拉斷。3.6萬千米外的太空艙的切向線速度約為26.7萬千米/天。假使太空艙和20名乘客的質量為12000千克，那麼忽略掉纜繩的質量，纜繩的拉力估計有25萬牛頓的力。此外由於高速運動的物體在通過大氣層時會由於摩擦生熱，所以在設計太空電梯的過程中，還要充分考慮到使用耐高溫、高強度的材料。

而碳納米管的發現，讓人們燃起了希望。碳納米管的柔韌性強、質量輕，細小且強度可與金剛石媲美，並且可製成纖維。據測算，一根寬1米、薄如紙的納米管纜帶，能支撐13噸的重量。

碳納米管可能是太空電梯成為現實的關鍵

2018年，清華大學的研究團隊研發了一種高強度的纖維。他們用僅1立方釐米的碳納米管制成的纖維就能承受160頭大象（超過 800 噸）的重量且不會斷裂，而這根小小的纜繩僅重1.6克。碳納米管是由碳原子組成的圓柱形分子，這些碳原子連接成六邊形，直徑僅為1 納米。其抗拉強度是已知任何材料中最高的，理論上高達 300千兆帕斯卡。

希望未來通過科學家和工程師們的設想、論證和實踐，隨著太空電梯這一技術的完善，我們能夠安全地進入外太空。回望一眼藍色的星球，這應該是一種令人興奮不已的體驗！

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