2023兔年春节，《流浪地球2》震撼登场，给影迷、科幻迷和大刘迷们带来一场视觉盛宴。在流浪地球2中，最为抢眼的是围绕月球坠落、空间站和太空电梯的硬核科幻大戏，让人拍案叫绝，直呼过瘾。
但有朋友却说，太空电梯是电影的一个巨大“硬伤”，因为它在物理上不可能实现。
果真如此？
我们今天就来聊一聊太空电梯。
太空电梯剧照
太空电梯又称“轨道电梯”，它其实不是啥新概念，科幻作家阿瑟·克拉克1978年在《天堂之泉》一书中就描述了空间电梯沿着一根长长的绳子往返地面送到空间站，这个电梯可以很方便地运输人员和货物，比发射火箭更安全且便宜。而最早提出太空电梯概念的则是苏联科学家、西方现代宇航学奠基人、“航天之父”康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基，他认为未来人类会建造一座直达太空的高塔，高塔的尖端是一座城堡，人们将乘坐电梯往返到达那里。
《流浪地球2》中发射太空电梯
好东西自然不会被太空强国放过，1999年，美国航天局（NASA）马歇尔中心的先进办公室就开展了太空电梯的研究，并发表名为《天梯：太空的先进基础设施》的文章；2005年NASA又搞了个“世纪挑战”，首选项目就是太空天梯；2012年，美国一家公司声称要建一个连接地球和月球的太空电梯，每年筹集至少300万美元搞可行性研究，这空公司的CEO就来自NASA。
紧随美利坚，日本一家名为“大林组”的建筑公司也在2012年宣称将研发“东京天空之树”，要在2050年前把30个日本人送到地球同步轨道，不知道这家公司现在还在否？
太空电梯是什么样的？
与大楼里普通的电梯不同，太空电梯拥有巨大坚固的基座、一条或一组高强度缆绳、一个或几个空间站、一个或几个升降轿厢，还得有一个巨型“铅坠”，“铅坠”可以被设计成另一座空间站，它的主要作用是电梯在太空的配重或“锚”，将缆索拉直并达成力学上的平衡。
太空电梯示意图
基座
地面基座是太空电梯的出发地，同时也是电梯缆索在地面的固定点，基座巨大并且极为牢固。为了使太空电梯中部的“方舟空间站”尽量稳定运行，这个基座需要建造在地球赤道上。
缆索
连接地面基座与空间站的，是一条或一组超高强度的缆索，这条缆索一方面要连接36000高空地球同步静止轨道的空间站，还要拉扯近10万公里高的巨大配重，其自身重量和强度将受到诸多因素的严峻考验。我们放在后面单独讲。
太空电梯轿厢高速上行
空间站
天宫空间站和国际空间站都在约400公里的倾斜轨道绕地球飞行，每绕地球转一圈的时间约91分钟，一天24小时要转16圈。由于未来的空间站有缆索牵着，它的飞行需要与地球保持同步，并且要尽量保持稳定。因此，太空电梯的空间站会设在地球赤道上方36000公里的地球同步静止轨道上。
由于太空电梯缆索系统自重非常大，设在静止轨道上的空间站无法承受，所以缆索需要穿过空间站并向上延长几万公里，直到近10万公里的高空，在这里有一个巨大的配重块将缆索绷紧。当然，一个新的空间站也能起到配重或“锚固”的作用。
这样一来，太空电梯至少可以有两个空间站。
轿厢
太空电梯是天地运载工具，与普通电梯一样，它也有一个或多个轿厢。太空电梯的轿厢可以由电力驱动，但在流浪地球2中，太空电梯在发射初段竟是由8个火箭发动机推着向上飞行的。
太空电梯靠8台火箭发动机推动
幻想总是非常美好，但问题是上哪儿找一条10万公里长、足够轻又足够牢固的电梯缆绳？
没有这种缆索
到目前为止，我们知道碳纳米管是人类能造出来的最坚固材料，它的密度仅为钢铁的四分之一，抗拉强度却是后者的100倍，看起来应该是制造太空缆索的理想材料。
我们假设每根碳纳米管缆索的直径是5厘米，其最高抗拉强度约为200GPa，也就是每平方毫米可承受约20万牛顿拉力，那么这根缆索最多能承受4万吨拉力而不断裂！
但是且慢！一条5万公里长（10万对半）、5厘米直径的碳纳米缆索的重量是多少呢？
我们知道碳纳米管的密度是2.1克/立方厘米，太空电梯的缆索应该粗细均匀，5万公里长的碳纳米缆绳，其自身重量将达到20.6万吨，这是缆索自身抗拉强度的5倍多！
碳纳米管可以制成高强度缆索
简单讲，即便是最坚固的碳纳米缆索，它也会在太空电梯的中间部分轻易被拉断，这还没计算“天梯”顶端配重块对其施加的强大拉力。
你可能会说，一根缆索容易断，我用多根缆索，或者把绳子加粗，行不行？
加粗绳索当然可以增加拉力，但绳子越粗，它的质量也越大，缆索永远承受不了其自重。所以在新的更强的材料问世前，太空电梯只能是幻想。
假如有了足够强度的缆绳，怎么把它送上天，又是个新课题。
缆索无法安装
我们现在铺设超高压电缆，通常都是用无人机或直升机先拉一条细细的先导缆索，用尼龙线拉钢丝、一级一级加强的方式把沉重的电缆拉过宽阔的江河。但是你知道，跨江电缆是水平铺设并且最多只有几公里，而太空电梯的缆索是直上直下几万公里中间不能中断。
人类最强大的火箭只能把百余吨的载荷送到近地轨道，没有任何一枚火箭可以一次性把几十万吨的缆索拖到地球同步轨道，更不用说让它到达10万公里的高空。
运载火箭的运力有限
没有缆索的拖拽，10万公里高度的配重块（或空间站）不可能与地球地表保持相对静止。
太空电梯寿命堪忧
即便是我们千辛万苦、耗费巨资建成了太空电梯，也无法一劳永逸地享用它。
太空电梯将面临从低空到高空全方位的威胁：雨水风沙盐雾会侵蚀缆索；大气流动会对缆索施加横向拉力，使它弯曲、振颤；电梯轿厢高速上下运动会造成缆索表面快速磨损；在中低轨道运行的所有航天器，只要其轨道穿越地球赤道，理论上都可能与太空电梯的缆索发生高速碰撞；数以百万计的太空垃圾更是无法控制又躲不开，碳纳米缆索有很好的抗拉强度，但在抗剪切力方面却是渣渣，一撞就断；在近地轨道分布着大量原子氧，它能快速氧化缆索表面的碳并将其带走，因此我们需要在缆索表面做足抗腐蚀工作。
月球引力会对太空电梯产生扰动
受到太阳和月球引力的影响，太空电梯很难做到稳定运行，潮汐引力会牵拉空间站、配重块和缆索本身，使其发生伸缩摇摆，这也会缩短缆索的寿命。
一旦缆索断裂，其结果将是灾难性的。
配重块在失去缆索的束缚后，会沿切线方向高速飞离地球；与此同时，位于3.6万公里的方舟空间站会在下方缆索张力牵拉下坠向地球，造成严重的灾难。
当然，作为一部刺激感官的科幻电影，《流浪地球2》不需要考虑太多科学原理和技术细节，也无须思考太空电梯在未来几十年时间里是否可以变为现实，它只需大胆假设其存在就好。
既然太阳都能在百年之内“氦闪”，相比之下太空电梯真算不得什么“致命伤”。
太空电梯以及某种形式存在的“天梯”一直是人们对于航天的终极梦想之一，它能以非常小的成本将人和物资送到太空进行生产和研究，与发射火箭相比更节省也更环保。相信在未来的某一天，人类可以克服本文提及的所有困难，建成太空电梯，并且防止“方舟空间站坠毁”的灾难发生。