地球静止轨道|我们可以建造一个通往太空的电梯吗？来看看科学家是怎么回答的_太空电梯|科学|太空|碳纳米管

【地球静止轨道|我们可以建造一个通往太空的电梯吗？来看看科学家是怎么回答的】本文参加百家号 #科学了不起# 系列征文赛。
在上个世纪，人类做了一些相当了不起的事情。莱特兄弟在1903年发明了第一架飞机之后，我们仅用了66年的时间就将一个人送上了月球。我们的工程和科学能力显然令人惊叹，但也许是时候让我们来看看超越以往任何想象的挑战了……也许现在是时候建造太空电梯了。

什么是太空电梯呢？
太空电梯的概念最早是由康斯坦丁·齐洛夫斯基（Konstantin Tsiolovsky）于1895年提出的，他是同一位绅士，他提出了著名的“火箭方程式” ，将火箭送入太空（从根本上说，他对太空事业的贡献是巨大的）。

齐奥洛夫斯基的太空电梯概念是受埃菲尔铁塔启发的，埃菲尔铁塔大约在同一时间建造。
他想知道人类是否可以建造一座足够高的塔，塔的顶端可以延伸到太空中很远的地方，这样我们就可以不用发射火箭到达那里，而只需跳上这座高得离谱的建筑上的电梯，越过重力的屏障到达恒星！

目前，世界上最高的建筑是迪拜的哈利法塔，高达829.8米（2722英尺）。它保持着人类创造的最高建筑的纪录，超过了此前华沙无线电桅杆646.38米（2120.7英尺）的纪录，后者在建造过程中实际倒塌。可行的太空电梯必须至少高达35,786公里（22,236英里），这是物体到达地球静止轨道的高度。相比之下，如果哈利法塔只有一个咖啡杯的高度（8.25厘米），那么太空电梯的高度将是3.56公里—比哈利法塔实际高度的4.3倍还要高！

哈利法塔，图片来源：mafengwo
对地静止轨道是从地球表面到赤道的高度，物体完成一个轨道所花费的时间与地球的旋转周期相同，即一天。从本质上讲，这意味着，如果您乘坐的航天器在地球静止轨道上，就在地球某个点的正上方（比方说，印度尼西亚的坤甸就在赤道上），那么您永远都不会相对于该点移动。因此，如果您向下看，这座城市将始终保持在您下方，如果您在轨道上，该城市将永远不会相对于您移动。

太空电梯应该由什么来制作呢？
记住， 36000公里（达到地球静止轨道）是我们需要达到的最低高度，太空电梯才能正常工作。然而，质量中心必须在地球静止轨道高度；再低一点，系统就会变得不稳定。理想情况下，太空电梯的高度约为100000公里（62000英里）。想一想……我们说的覆盖距离实际上是到月球距离的三分之一！在这段距离内，我们将不得不开始建造太空中的大部分电梯，还有几艘大型宇宙飞船和数千人在零重力下建造这座塔。

请记住， 36,000公里（到达对地静止轨道）是我们使太空电梯正常运行所需的最低高度。
但是，质心必须在对地静止轨道高度上；稍微低一点点，系统将变得不稳定。理想情况下，太空电梯的高度约为100,000公里（62,000英里）。想一想……我们正在讨论的距离实际上是距月球距离的1/3！在这样的距离下，我们将不得不开始在太空中建造大部分的电梯，这依靠着几艘大型太空飞船和成千上万的人在零重力下建造塔的努力。

另一种方法是将一个巨大的色带线轴发射到对地静止轨道上，然后将其向下放到地球上，而另一个线轴被向上释放（远离地球）以抵消力并停留在轨道上。最初的飞船将停留在对地静止轨道上，并有长电缆沿两个方向延伸。这个想法看起来像是科幻小说中的东西，它似乎也确实是这样。这项工作所需的工程和材料技术比我们目前的能力要先进得多。

太空升降机需要极高的抗拉强度，才能抵消将这个巨大的100,000公里结构拉下的重力以及将其拉动的配重的离心力和惯性（我们一会儿就会了解到）向上。它需要在极端高温和低温，来自大气的不可预测的力以及来自外层空间的辐射中保持稳定并发挥功能。最重要的是，它必须在不断撞击的微小陨石和太阳风粒子中存活下来。是否确实存在满足所有这些要求的物质？我们认为碳纳米管可能是答案。

碳纳米管
碳纳米管是纳米工程的圆柱形碳结构；自然界中，我们无法找到它们，而且它们很难制造。它们是迄今为止发现的最坚硬、最坚固的物质，而且具有很高的抗拉强度，这正是我们需要的那种太空电梯材料。它们也具有导电性，因此我们无需铺设额外的电线即可为攀登者或电梯供电。

然而，即使碳纳米管电缆有着巨大的强度，碳纳米管电缆也只能在破碎前支撑其自重约5000至7000 km ，远远小于太空电梯所需的100,000 km 。话虽这么说，技术的进步最终可能使我们达到可行的阶段，以生产出正确的材料或操纵我们已经拥有的材料。
配重
太空电梯的顶部也将需要配重。换句话说，电梯必须被固定在非常重的物体上，就像它被固定在地底一样。你建造的电梯越高，这个配重就需要越轻，以抵消你增加到电缆本身的额外质量。配重是确保地球静止轨道高度以上的质量与其以下的质量大致相同所必需的；因此，向上拉动系统的离心力等于向下拉动系统的重力。
如果我们建造最小高度为35,786公里（22,236英里）的太空电梯，则配重将需要很大，像月球大小的三分之一那么大。一种方法是捕获一颗小行星，并将其带入环绕地球的轨道，这时我们可以建造通往它的电梯。如果大约在6500万年前有伟大的人类工程师，那么消灭恐龙的小行星也许可以用来建造太空电梯……

如果您的电梯高度超过50,000公里，它的顶端会绕着地球快速移动，达到所谓的逃逸速度，即你将飞出绕地球轨道的速度。在那一点上，你可以简单地跳出电梯到达月球，尽管你的轨道计算必须非常精确才能避免漂浮到太空之中。如果恒星（或行星）对齐，那么使用延伸到100,00 km的电梯，您将有足够的速度来计划前往木星。
如果这么难，为什么要建造一个太空电梯呢？
所有这些问题似乎收效甚微。考虑到物理、科学和经济的限制，建造太空电梯几乎是不可能的。再者，有必要吗？我们已经能够把东西送上太空，国际空间站上也有人居住（尽管他们在大约450公里的近地轨道上，而不是100,000公里）。答案是成本。目前，将一磅（0.45公斤）的有效载荷送入环绕地球的轨道大约需要10,000美元；对于星际旅行，这笔费用会高得多。建造太空电梯后，发送相同有效载荷的成本将在90美元左右，成本降低99% 。

建造太空电梯将是人类迄今为止最雄心勃勃的工程。这使得莱特兄弟的成就相比之下显得微不足道，尽管意义不小。人类似乎总是通过自己的工程能力找到超越自己的方法。我们总是在寻找下一个要克服的障碍，下一个要克服的挑战。也许建造太空电梯需要的技术和人力是我们今天根本无法想象的，但不要忘记， 150年前，飞行对人类来说仍然是一个遥不可及的梦想。从这个角度看，真的不知道我们离建造100,000公里的太空电梯有多近！
BY: Upamanyu Acharya
FY: hyan
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