为什么人类直到现在也没有造出太空电梯？建造太空电梯难在哪里？

如何在太空中固定这个“悬梯”呢？

卫星在围绕地球公转的时候会受到两种力，一种是地球的引力，方向是指向地心，另一种是卫星的运动惯性产生的“离心力”（注：这是一种虚拟的力），方向与地球引力相反，如果这种两力大小相等，那么卫星就可以在无需外力的作用下一直围绕着地球运行，不会掉下来，也不会飞出去。

在这种情况下，如果一颗卫星的公转周期刚好与地球自转周期相等，并且其运动方向与地球自转的方向相同，那么从地面上来看，这颗卫星就好像静止地悬停于地球上空。这种卫星被称为地球同步卫星，其运行轨道被称为地球同步轨道，该轨道位于地球赤道的上空，高度约为35786公里。

可以看到，如果我们把太空电梯的顶部设置成一颗地球同步卫星，那么这个“悬梯”就可以固定在太空中了，考虑到地面连接太空电梯的缆索质量增加了轨道飞行器所受到的地球引力，因此我们还需要增加相应的“离心力”来作为平衡，怎么做呢？一个简单的办法就是在这个轨道外侧增加额外的配重（如下图所示）。

建造太空电梯难在哪里？

以上就是建造太空电梯的基本思路，这在理论上来讲是可行的，那么为什么人类直到现在也没有造出太空电梯呢？其实最大的困难就是太空电梯的缆索材料问题。

通过上面的介绍我们可以知道，太空电梯的缆索要承受拉力的考验，其中的一方是地球的引力，另一方是“离心力”），而地球同步轨道附近的缆索所承受的拉力最大，不同密度的材料，承受的拉力强度也各不相同，其单位面积所受到的拉力可以通过公式“ρx 4.85 x 10^7”来计算（注：ρ代表材料的密度），下面我们来看一个例子。

钢是我们常用的一种材料，其密度大约7.85 x 10^3千克/立方米，也就是说，如果我们用钢来当作太空电梯的缆索材料，那么它每平方米的横截面将会承受3.8 x 10^11牛顿的拉力（即380GPa），但实际上，钢的抗拉强度只有大约410MPa（4.1 x 10^8Pa），小了3个数量级。

由此可见太空电梯的缆索的要求有多苛刻，那有没有什么材料能够达到这种要求呢？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。这种结构可以视为是一种一维的纳米材料，碳原子通过六边形结构近乎完美地拼接在一起（如上图所示），这使得碳纳米管具备极强的抗拉伸性能，其理论抗拉强度可以高达300GPa。

重要的是，碳纳米管的密度也很低，就算是多壁碳纳米管，其密度也只有大约2.1 x 10^3千克/立方米，将其代入上面的公式，我们可以得出，假如由这种材料制成太空电梯的缆索，就只需要求其抗拉强度高于101.85GPa，这远低于碳纳米管的理论抗拉强度。

遗憾的是，尽管碳纳米管能够帮助人类一举突破建造太空电梯的最大难题，但碳纳米管目前还只是实验室的产物，迄今为止人类制造出的最长的碳纳米管，仅仅只有0.5米。总的来讲，人类想要制造出长达35786公里的碳纳米管，还有很长的一段路要走，即使是乐观的估计，要实现这一目标也还需要30年的时间，换句话来讲就是，在2050年代的时候，人类才有可能造出第一部太空电梯。

好了，今天我们就先讲到这里，欢迎大家关注我们，我们下次再见`

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