建造太空电梯的难度有哪些?

如果在地球上(或者其它星球上)建造太空电梯有哪些可能的问题呢?

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21个答案
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太空电梯的材料要求非常高,现在并没有合适的材料。

太空电梯基本的想法是从太空垂下来的“绳子”,通过合适的配重让整个电梯的重心在对应的星球的同步轨道上,比如在地球上建造的话,需要让电梯的重心处在地面之上大约三万六千千米的地方。

这样绳子是在引力的作用下垂下来的,所以绳子上受到的力就是引力,在引力作用下运动。然而地球是旋转的,我们站在地面上看太空电梯的行为其实是一个非惯性系,这个可能会有潜在的问题,下面会提到。

技术上主要有几个问题:

  1. 材料强度
  2. 弦振动
  3. 载人或载物舱的运动

这里面材料强度的问题是最大的问题了。我们电梯的绳子是在引力作用下运动的,如果仅仅要求绳子不会在自身重力作用下断掉,那么我们用最优化的方法来建造绳子,也就是下面细上面粗,因为上面的绳子需要承担下面所有绳子自身的重量,这样的话,我们假定要求承载100吨,那么所需要的响应的材料的质量:

  • 钢材:大于整个宇宙的质量;(因为钢材在1G的重力下面会被自身拉断,如果是上下均匀的钢材,1G重力下最长只能11.3km,而即便是这种上粗下细的设计,地面上1cm,到了上端也有cm 才能保证不被自己拉断,这个计算现在显然已经不正确了,因为现在钢材自身的引力已经太大了,不能只考虑地球引力,不过可以看看这个硬算的结果,体味一下。)
  • 凯夫拉纤维:月球质量的 1%;
  • 碳纳米管:十四万吨;(按照碳纳米管的最理想情况来计算)

这样看起来我们用碳纳米管来建造就好了啊,因为看起来这个像是可以实现的。可是可是,这只是按照碳纳米管的理想情况来计算的,我们现在还不能制造特别长的碳纳米管,更别说是制造多少千米的碳纳米管了。

所以材料问题,现在是没法解决的。

还有一个问题是,在太空站让一条长绳稳定地绕地球转是很困难的,因为在不同高度的轨道上围绕地球转动的周期不同,也就是说转一圈之后,绳子上下会错开。这是一个挺严重的问题,不过可以通过把多数重量集中在一个物体上,然后一些发动机来做轨道修正。

弦振动的问题,原因是一条长绳,垂下来,在一个扰动下会形成机械波,或者说是弦上的振动。比如有风的时候,弦上就会有此起彼伏的振动。这样整个电梯就成了晃来晃去,不仅造成重心的轨道扰动,还会造成电梯上行下行的困难。

载重舱的运动的问题是,因为地球表面上考虑别的物体的运动,我们是在一个非惯性的转动的参考系来考虑的,这时候会有科里奥力力这样的非惯性力,会导致电梯的运动偏离原来的绳上的轨道,从而加重绳子的一些奇怪的振动。

当然,还有一个问题:遭到恐怖袭击就惨了……



参考:

  1. https://www.youtube.com/watch?v=f8CpnKBnPC0
  2. http://olliasheville.com/sites/olliasheville.com/files/Instructor_Handouts/Jaslow/Science__Tech_W_15/Space_Elevator_Presentation.pdf
  3. http://www.isec.org/
  4. 一些计算和其它的琐事: https://github.com/InterImm/InterImmBook/issues/78



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可不可以这么说:当人类掌握了太空电梯的技术的时候,太空电梯的意义就已经不存在了。

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古人真有趣,居然想用那么傻的办法来进入太空

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难度只有一个,反重力技术。与其期待材料学上的突破,不如先来研究反重力技术吧。

不过有了反重力技术还要太空电梯做什么

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不可以分断造吗?每隔多少公里建立一个中转站,中转载有自己的动力,就像卫星一样,不过会使用自身动力与地球自传同步,虽然很耗费能量,但是比起一条完整的电梯要省钱多了。好吧,其实我觉得都比直接用飞船更耗钱。

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支持者: Wyborowa

lz 我想把这篇转到QQ空间可以吗 会著名出处和作者的

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支持者: Lee2.0

绳子不一定要载重吧,给电梯提供能量之类的。

以后要是能电力推进的话,绳子只用来供电就行了。

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地球人不好惹世界不存在随机 那只是为调整而设定的冗余

2015-05-20 09:43

最重要的应该是牵引方式的问题 即使有了足够强度的材料 也不可能像普通电梯一样对整个缆索进行牵引 不然即便不考虑各种阻力 光让缆索加速到乌龟的速度所需的能量都要毁天灭地了 另外运行时也得能根据需要可以停止启动才行 出现大故障需要维修不说 平时装货时都得用大炮发射上去也太不现实了 如果平时要运行到火箭的运载速度那样快 那停止启动一次所需的能量估计可以把地球推出太阳系了
这个从工作原理上就不是几十年内能解决的

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晚上视线模糊,飞机或者大型飞行器撞到绳子就完蛋了

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在一部软科学小说《细胞渗透》里面提到过类似的情节,作者考虑了很多因素,甚至包括切割磁场的问题都想到了,大家有空可以去看看

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支持者: 兰州拉面

还是研究量子传送门靠谱

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所以,即使有纳米材料也还是无法承载太空电梯。那么如果比纳米材料更牢固的材料呢?比如一种分子间距离已经可以忽略的材料,无间隙,全是分子叠起来的,又或者去白矮星采矿。


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Lee2.0情商为负工科男

2015-05-19 16:41

绳子除了受自身重力,运货时货物会对绳子产生力吧,这个力势必会影响上面的卫星吧。人家卫星好不容易依靠绳子拉力和向心力平衡了,现在又有了新的拉力。假设货物总重量小于绳子里已有的张力,但是还有科里奥利力啊,卫星上不加设动力源的话,怎么算都不能实现“跟电梯似的”的效果啊

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为什么要电梯呢?让三胖发哥火箭带你上去就可以了啊,呵呵。

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支持者: 泸左淬冰生

个人认为这个问题的答案就是,本宇宙的各种参数属性不适合制作太空电梯

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西湖船家电气控制工程师

2015-05-20 12:34

这个问题还是交给三体粉去考虑吧。这是小说中的核心产物之一。

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支持者: s黑色小喵s

建造电梯前,还是先把能直接飞到空间站的飞船造出来,才比较现实。。。每次用火箭上去,成本太高了。

中国宇宙航天公司,航班号XX18,起飞地:上海航天场,目的地:天宫八号,预计飞行时间:1小时18分。

哈哈哈哈


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干嘛要那么残忍的反对我?好奇怪啊!

大型空间站作为中转,然后地球到空间站由航天飞机接驳,更强的动力,让飞船可以不依赖火箭,直接可以靠自身动力往返与地球与空间站,这不是什么不现实的事情啊。现在貌似也在往这个方向发展,不是吗?

非要幻想这种太空电梯。。。要么下辈子投胎换一个宇宙?

还是果壳ers没有幽默感?

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在天朝的话。。。。。。。。。70年土地使用权

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