太空電梯的關鍵概念出現在1895年，當時俄羅斯科學家康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基受到了巴黎艾菲爾鐵塔的啟發，提出建造一座類似的高塔，一直延伸到35786公裡的高度，這是地球靜止軌道的高度，從這個高度釋放的物體將會保持在地球靜止軌道上，齊奧爾科夫斯基的概念塔是一個壓縮結構，在工程上這是很難實現的，因為沒有哪一種材料能夠承受住如此巨大的壓力。
阿瑟·克拉克，與艾薩克·阿西莫夫和羅伯特·海因萊因並稱為「世界科幻三巨頭」，在其著作《2001太空漫遊》系列之三《3001太空漫遊》，《天堂的噴泉》中對太空電梯都有大膽而詳盡的描述，這也是阿瑟·克拉克作品的一貫風格。他所描述的太空電梯也是一種壓縮式結構。
壓縮式結構的太空電梯同樣出現在布拉德皮特主演的電影《星際探索》中
1959年，前蘇聯工程師尤裡·阿爾蘇塔諾夫提出了一個更可行的建議，使用地球同步衛星作為基地，將其與地球上的一點通過纜繩連接，這便是第一個拉伸式概念的太空電梯，也是目前太空電梯研究的主流。
太空電梯原理很容易理解，如下圖，你可以把地球類比為這個運動員，而他準備通過旋轉加速扔出去的鉛球則相當於高聳入雲的太空電梯配重。
雖然類似，但是太空電梯和這個鏈球運動員還是有區別的，一是地球具有引力，而相比之下，運動員對鏈球的引力可以忽略不計；二是地球自轉速度是恆定的，換句話說，如果它是一名鏈球運動員，那麼它不能隨意調整自己的旋轉速度以便扔出更好的成績。
所以太空電梯在設計上必須考慮這兩個因素。把這根繩子的另一端放到地球靜止軌道之上或之外。
由於地球靜止軌道一個平衡點，也就是說，離心力剛好抵消了此處的引力，因此太空電梯構想了一根固定在赤道上並進入太空的纜繩，一端固定在地球表面也稱為錨點，另一端連接在地球靜止軌道(海拔35786公裡)以外的空間，地球自轉產生的離心力抵消或大於向下的引力，使纜繩保持繃緊，同時也使電梯的總體質心等於或高於地球靜止軌道。
太空電梯的關鍵材料便是纜繩，經典的愛德華茲太空電梯纜繩需要100GPa的拉伸強度，那麼問題來了，即使是高品質的鋼材抗拉強度也只有600Mpa，上哪去找這麼高強度的纜繩呢？近幾年被認為最有潛力的候選材料便是碳納米管。
碳納米管是日本物理學家暨化學家飯島澄男於1993年首次製造出來並將其成果發表於自然雜誌的，他也是中國科學院和美國國家科學院外籍院士。
碳納米管的單層結構為蜂窩狀六邊形，碳原子以SP2雜化的共價鍵連接，理論拉伸強度最高可達200Gpa，約為鋼材的50-100倍，從理論上來說，確實是太空電梯繩纜的最佳材料。
微觀結構上，單層碳納米管原子可有不同的排列方式，包括鋸齒形、手型和扶手椅型，其拉伸強度也不同。
但碳納米管的高強度主要是微觀層面的數據，在宏觀上，受制於製備工藝、純度、涉及紡絲方法的纖維組裝結構等原因，其拉伸強度在數值上要打折扣。
2018年，清華大學魏飛教授團隊成功製備了米級超長超細碳納米管管束，其強度達到80 GPa，應該說這是太空電梯走向工程一個重要的推動。隨著碳納米管、石墨烯、金剛石納米線等材料的研究、發展乃至進入到產業應用階段，太空電梯的發展迎來了新的曙光。
經典的布拉德利·c·愛德華茲太空電梯
受NASA先進概念研究院的支持，2000年開始，美國科學家布拉德利·c·愛德華茲提出了太空電梯的一整套解決方案並開始實驗驗證（後被稱為愛德華茲太空電梯），其設計考慮了場景部署、電梯結構、電力輸送、錨系統、安全系統、施工成本、進度和環境危害等等，建成後的系統的總負載能力約為每年1000噸。
繩纜
他提出用帶狀繩纜代替管狀繩纜，並採用碳納米管為基礎的複合材料，這樣做的好處是不需要很高的技術外推，可以很快的應用於工程（他們認為鑑於當時碳納米管的製備難度，使用含有碳納米管的複合材料可能是更好的辦法）。
設計目標長度為10萬公裡(6.2萬英裡)長的薄如紙的絲帶，其後，在2006下一代探索大會上，洛斯阿拉莫斯國家實驗室的布萊恩Laubscher將其寬度設計為1米，自重650噸，承載拉力為800噸（理論上有150噸的負載能力）。
其結構考慮了生產工藝、隕石撞擊、雷電等安全因素，帶狀而不是圓形橫截面更有可能在微流星體的撞擊中倖存下來，同時也為電梯爬升提供了大的表面積，因此可以用簡單的滾輪進行攀爬。
如上圖，通過在碳納米管壁外加入長釘，可以增加複合材料的拉伸強度，通過使多壁碳納米管中加入更多的長釘，能夠使複合材料強度接近理論的150 GPa的一半。
上圖是其團隊委託3M公司製造的一段60釐米長，1釐米寬的碳納米管複合纖維帶
能源傳送平臺和錨系統
定位於赤道東太平洋，使用類似石油鑽探平臺的大型海上浮動平臺且具有不小於1公裡/天的自航能力。
能源傳送平臺配備雷射束指向器，使用直徑1米的自適應光學主鏡用於聚焦和跟蹤，將雷射照射到升降機的接收器上。
升降機
在設計上並無特別的要求，自重7噸，負載能力13噸。上面安裝有雷射接收器，將其轉化為電能，為轎廂爬升提供電力（也有配置太陽能板的），這種自主爬升不同於住宅小區的滑輪組電梯。其設計考慮了如何在自主爬升過程中避免對纜繩的損耗。包括增加多組踏輪、設計新的胎面等測試，通過多次測試和迭代，從工程上解決這個問題不是不可能。
配重
配重類似於那個鉛球，由於遠離地球，引力減小離心力佔據主導地位，配重將使繩索被拉緊，隨著配重規模的不斷擴大，又會進一步發展為太空港，在這裡，客戶可以根據自己的意願，將有效載荷裝載並釋放他們，升空飛行器可以以此為中轉站，各類實驗平臺可建於其上，太空港也將成人類進一步探索深空的門戶。
進入太空電梯殖民時代
太空電梯模式可以拓展到火星、月球上，因為其低重力的原因，對纜繩的強度要求相較於地球更低，由於星體的自轉速度不一樣，所需要的纜繩長度也不一樣，同時太空電梯模式可進一步拓展至所有具有自轉特性的行星上。
LiftPort集團是一家私營的華盛頓州公司。它於2003年4月由Michael J. Laine創立，也是專注於用碳納米管建造太空電梯的公司。其月球電梯的構想是整裝從地球發射，然後從太空向月球發射錨系統、升降機並完成後續部署。
從地球出發
從月球靜止軌道之外釋放錨系統
錨系統著陸月球表面並自固定
擁有多組踏輪的升降機到達月球表面並展開
火星電梯具有類似的結構和組件
星城
多部太空電梯運作使得電梯頂端的配重擴展為太空港並最終連接在一起，就構成了巨大的環繞地球運行的空間地球環。阿瑟克拉克在其極負盛名的「太空漫遊」四部曲的終部《3001：太空漫遊》中將其描繪為「星城」，並對這一場景展開了大膽而詳細的描繪。
他正由一個圓筒狀高塔表層往下看著遙遠中海。塔壁平緩弧度顯示其直徑長達數公裡。但比起塔高度，那還算不上什麼：塔身往下逐漸變小，一路往下、往下、再往下，最後消失在非洲某處雲霧中。他猜想，應該是一路直達面。「我們在多高方？」他悄聲問。 「2000公裡。不過你往上看看。」 這次他沒嚇得那麼厲害，他已有心理準備。塔身逐漸變細，直到變成一絲閃爍細線，襯著黑漆漆太空。毫無疑問，塔是一路向上，一直到球同步軌道，即赤道上方3.6萬公裡高空。在普爾時代，這樣幻想已經很普遍，但他做夢也沒想到，自己能看到真實景像——而且還住在裡邊。
他指著遠處由東方平線直上天際細線。 「那一定是另外一座塔。」 「是，那是亞洲塔。在他們看來，我們一定也像那樣。」 「一共有幾座塔？」 「只有四座，等距分布在赤道上。非洲塔、亞洲塔、美洲塔和太平洋塔。最後一座幾乎是空，才蓋完幾百層而已。除海水之外什麼都沒得看……」
地月電梯
因為月亮獨特的自轉與公轉特性，使得月球總是固定一面朝向地球，哥倫比亞大學天文部的艾米麗·桑福德作為第二作者同劍橋大學天文研究所的zephyr penoyre共同構想了一種連接地球和月亮太空電梯。
離我們究竟還有多遠
根據有關數據，太空電梯建成後可節約入軌成本99%，並從根本上改變人類從不同行星進入太空的方式甚至人類文明的進程。
由於是低速進入太空，太空電梯將允許發射大型脆弱結構，目標載荷將不需要整流罩，如結構奇特的大型衛星、飛船、商業設施以及各類用於深空探索的有效載荷。
太空電梯將能夠使人類進入平民化太空時代和太空電梯多行星殖民時代，一座座星城在月球、火星、木衛二、土衛六軌道上建立，那將是怎樣的美景！
但太空電梯走進現實，開始實際的工程建設還將面臨一系列的困難，首先是其建造成本並不低，愛德華茲太空電梯預計建設成本為100億美元。
其次電梯的運行也會面臨一系列的風險，感應電流、大氣環境、感應震蕩、 空間飛行器、微型碎片和隕石、閃電，宇宙輻射等等一系列危險因素都需要考慮並在建設之前解決。
而最後，如同本文一開始所說的，高強度低質量的纜繩是最亟待解決的問題，也是太空電梯設計方案中唯一無法在現階段商業化生產的部件，是整個系統的發展瓶頸。
但再多的困難終將被克服，人類探索發展的腳步從未停止。目前，大量的科學家和實驗室對太空電梯的構建及技術細節進行著不間斷的研究，我們相信，在未來，火箭或者宇宙飛船絕不可能是人類脫離地球引力和行星引力走向深空的唯一途徑，讓我們拭目以待！
參考文獻：
1、The Space Elevator and Its Promise for Next Generation Exploration Bryan Laubscher Black Line Ascension / Los Alamos National Laboratory August 17, 2006 Next Generation Exploration Conference NASA Ames Research Center；2、The Space Elevator NIAC Phase II Final Report March 1, 2003 Bradley C. Edwards, Ph.D. Eureka Scientific；3、The Lunar Space Elevator、Nanotube Strength, Bad News for Space Elevators、What If We Built an Elevator to Space 等視頻資料；4、Liftport group.官網資料5、維基百科、百度