但在我看来，这样的太空旅游并没有真正离开地球，我们还在地球引力范围内活动。
这一次，我要把这个话题往前推。我很想和你谈谈:在可预见的未来，人类有没有可能真的离开地球，去月球或者火星度假？或者更进一步，普通人可以以月球或空间站为基地，去木星、土星甚至冥王星兜风吗？在航天领域，有没有什么关键的技术奇点？一旦我们突破了这个奇点，会不会出现航天工业的大爆炸？
航天事业最难的是脱离地球引力。我们可以把地球想象成一口重力井，我们人类就是井底之蛙。只要我们能跳出这口井，外面就会有一个马平川，浩瀚的宇宙就会翱翔。为什么从这口井里跳出来的是马平川？因为在太空中航行其实是非常节能的，因为真空中几乎没有阻力，飞船只需要在加速、减速和变轨时消耗燃料，这和克服地球引力所需的燃料相比不算什么。
人类掌握的跳出引力井的唯一技术是火箭技术，但火箭最大的问题是发射成本太高。一个最大的原因是，过去火箭是一次性耗材，造一枚火箭要几千万到几亿美元。比如火箭发射，就像土豪买了一架波音737，一次扔了，下次再买一架。世界上能有几个这样的土豪？
因此，为了降低火箭发射的成本，无论是埃隆马斯克的太空探索公司、维珍银河公司还是蓝色起源公司，他们所做的都是试图让火箭被回收再利用。
2020年初，太空探索技术公司的车辆集成主管Christopher Couluris在一次简报会上表示，可回收猎鹰9号的单次发射成本最终可能会降低到2800万美元[1]。这是什么概念？可回收的猎鹰9号最大载重约30吨，每吨93万美元，几乎是目前普通空运价格的200倍。你可能一下子体会不到200倍的差别。比如你月薪1000和你老板月薪200万的区别。
另一家太空旅行公司维珍银河甚至已经开始出售太空旅行的门票。根据SEC文件[2]，维珍银河打算在2023年前每32小时将一批游客送入太空。虽然这种所谓的“太空旅游”实际上就像坐在一个贝壳里，只是在地表以上100公里的高度看一眼，然后迅速落回地表，但票价却高达25万美元/张。维珍银河的创始人理查德·布兰森(Richard branson)是最乐观的估计:10年后，票价可以降到5万美元以内，另一家公布太空旅游票价的名为蓝色起源(Blue Origin)的公司也差不多。
听到这里，我估计很多人会拿航天和传统交通运输行业做比较，可能会想:大规模生产必然带来成本的快速下降。只要太空旅游这个市场能够不断培育，票价应该会越来越低，直到所有普通人都买得起，就像当年的汽车、轮船、民航飞机，不都是经历了一个从富人到普通人的过程吗？
问题是——航天发射真的没有你想的那么简单。为了给大家讲清楚它的难处，今天我就给大家讲几个高档货。
有一个著名的火箭方程，是由被誉为人类火箭之父的俄罗斯科学家康斯坦丁·埃杜·阿尔多维奇·齐奥尔科夫斯基提出的。这个火箭方程式就像是孙悟空给唐僧画的安全圈。无论技术如何改进，人类火箭都跳不出它所圈定的性价比。
在解释这个等式之前，我们先来看看火箭和汽车、轮船、飞机的本质区别。
首先，只有火箭在运动过程中需要不断抵抗重力，其他交通工具在运动过程中基本不需要抵抗重力。用更通俗的说法:火箭相对地面垂直向上运动，其他交通工具基本保持水平运动。不要小看这种运动方向不同带来的本质区别。让我给你解释一下:
汽车在行驶过程中要克服的阻力主要是来自地面的摩擦力。摩擦力主要取决于轮胎与地面的滚动摩擦系数，与汽车本身重量关系不大。比如在普通的城市道路上，滚动摩擦系数约为0.02，也就是说汽车重量增加一倍，摩擦力只会增加0.02倍左右。所以从性价比来说，卡车载重量越大，单位重量的能耗越低。
船舶在运动过程中要克服的阻力主要来自于水对船舶的阻力。水阻力主要取决于船速和船与水的接触面积，与船本身质量关系不大。计算公式比较复杂，但结论和汽车差不多。船舶载重量越大，单位重量的能耗越低。所以远洋船越来越大。如果不是世界几大海峡的船闸限制，我们会把运输船造得更大。
飞机在运动过程中要克服的阻力主要来自空气阻力，这与船舶在水中遇到的阻力类似，结论也类似:飞机载客量越大，单位重量的能耗越低。
所以车、船、飞机等交通工具的性价比可以用一句话来概括:交通工具越大，性价比越高。
但是，到了火箭，这个规律就被打破了。因为火箭需要克服重力向上运动，所以火箭遇到的最大阻力就是重力，而重力的大小几乎只和一个东西有关，就是火箭的质量。火箭质量越大，需要克服的阻力就越大。但矛盾的是，为火箭提供动力的燃料本身质量巨大。燃料加得越多，需要消耗的燃料就越多，才能把它送到天上去。这有点像古代送粮草的后勤队。人和动物越多，他们要吃的食物和草就越多。这样一来，计算火箭的燃料载荷和有效载荷之间的关系就会变得非常复杂。
第一个认识到并把这种复杂关系说清楚的人是齐奥尔科夫斯基，他的火箭方程也被称为齐奥尔科夫斯基火箭方程。要深刻理解人类航天技术目前的困境，首先要深刻理解火箭方程。
我想请大家不要害怕，这个方程不难理解。接下来的几分钟，虽然有些高能，但只要你集中精神，就一定能看懂。一旦理解了，你会在理解原理中获得极大的乐趣。
这个方程近似描述了火箭起飞时初始总质量m0与火箭燃尽燃料后剩余纯质量m1之间的关系。它们之间的关系是线性函数，如果写成方程，就是:
m1 = am0
如果我们把m1换成大家熟悉的Y，把m0换成大家熟悉的X，那么就会写成这样:
y = ax
这个线性函数在直角坐标系下是什么图像？很简单。它只是一条穿过原点的直线。如果系数a=1，那么它是一条斜率为45度的直线。
这条直线的斜率取决于系数a的值。
如果a1，斜率大于45度。
这个45度的斜坡就像一个分水岭。如果斜率正好是45度，就意味着:如果X加倍，那么Y也加倍，两者同比例增减。但是，如果斜率大于45度，也就是A大于1，那么X加倍，Y加倍以上。另一方面，如果斜率小于45度，则x加倍，y小于加倍。
我们之前设定过，Y相当于火箭燃料燃烧后剩下的纯质量，X相当于火箭初始总质量。也就是说，这个斜率A的值是大于1还是小于1，决定了一个关键问题，就是火箭的初始质量增加一倍，火箭燃料燃烧后剩余的纯质量能否增加一倍以上或者减少一倍以下。通俗地说，火箭越大越划算，还是不划算，取决于致命系数A的值是小于1还是大于1。
火箭之父齐奥尔科夫斯基最大的贡献就是阐明了这个系数a的计算方法，他发现a的值基本上取决于两个关键参数:
那么，系数A和这两个参数有什么数学关系呢？
因为我们的目的是研究这个A的近似值，是大于1还是小于1，所以我来解释计算这个公式，分析这个公式的取值范围。
要计算这个a的取值范围，我们需要把它分成以下三步:
好了，计算结束了。通过这三个步骤，我们可以计算出系数A的值..因为前面的数值已经简化了，a的实际值在0.05左右。
因此，火箭起飞时的初始总质量m0与火箭加速后的纯质量m1之间的关系可近似写成:
m1 = 0.05m0
这是什么概念？我给你解释一下，大致意思是:火箭的燃料重量增加一倍，火箭的有效载荷只能增加0.05倍；为了使有效载荷增加一倍，火箭需要增加20倍的燃料。
这个结论让你吃惊吗？这是人类火箭基航天技术目前面临的最大尴尬和困境。我们要付出20倍的努力才能得到1倍的回报。要知道，燃油不可能增加20倍。更多的燃料意味着填充燃料的腔体要做得更大更重，对腔体材料、工程制造技术、控制技术的要求等比例增加，就会导致火箭越来越重，需要更多的燃料，有点像恶性循环。
在人类历史上，迄今运载能力最强的火箭是土星五号，它把阿波罗送上了月球。它的自重达到了惊人的3000吨，但最多只能把140吨的东西送到地球近地轨道。这是航天发射如此昂贵的根本原因，因为火箭燃料的有效利用率太低。
至此，我们可以得出一个结论:只要我们的航天发射还在使用火箭技术，可惜在可预见的未来，恐怕普通人都不可能实现太空旅游的梦想。太空旅游永远只能是富人的娱乐。同样的道理，由于成本无法降低，大规模建造空间站也是一厢情愿，把地面上的东西送上太空也太贵了。
要想真正降低成本，必须另辟蹊径，摆脱齐奥尔科夫斯基火箭方程对人类航天事业的禁锢。摆脱火箭方程就是把能量和载荷分开——燃料(或者提供能量的物质)不需要随着载荷上升。
目前以人类已经掌握的科学理论，只有一条路。
电梯和火箭的本质区别是能量提供者和负载完全分离，电梯可以靠电力上升，没有任何质量，完全不受火箭方程支配，能耗和摩天大楼电梯一样。
太空电梯想法的最早提出者仍然是我们反复提到的火箭之父齐奥尔科夫斯基。早在1895年，他就正式提出了太空电梯的基本原理。
用最简单的话来说，太空电梯的原理就是在地球同步轨道卫星上挂一根长绳，直到它到达地面。因为地球同步轨道卫星是和地球自转同步的，所以理论上这根绳子接触地面的地方可以固定在地球赤道的某个地方。如果电梯能用这根绳子吊起来，它就能慢慢升到太空。
当然，这肯定是过于简单化了，实际情况比这还要复杂。地球同步轨道的高度在地球赤道上方36000公里左右，所以一根36000公里长的绳子的质量会相当大，所以绳子和同步卫星的* * *同中心在地球同步轨道的高度以下，不能保证它们整体上与地球自转同步。
要解决这个问题，我们需要把绳子加长到卫星顶端，然后连接一个巨大的配重物体，让所有连接物体的* * *同中心正好落在地球同步轨道上。如果你在这里还是不太明白，可以看看我附的原理图，可以帮助你快速了解太空电梯的原理和结构。
科学家们设想，可以从太空中捕获一颗近地小行星，在这种结构中充当配重，或者收集人类在太空中留下的各种废弃卫星。总之，这里不存在根本性的技术问题。即使你一直用火箭把东西送上去，那也是一次性投资，不管多贵。如果在著名的论文检索网站Science Direct上使用关键词“太空电梯”，可以找到30多篇标题中带有该关键词的论文。太空电梯不仅是科幻小说的热门话题，也是科学家们一直在讨论的严肃话题。
建造太空电梯的真正困难是这条超过40000公里的电缆。我们应该用什么材料制作这种电缆？
我们对这种电缆的材料要求是，本身质量必须非常非常轻，抗拉强度必须非常非常高。
在材料科学中，材料强度的单位是“尤里”，即单位面积上的极限力与材料密度的比值。常用于制作眼镜腿的钛合金的强度约为30万尤里，美国杜邦公司发明的超强材料凯夫拉尔的强度约为250万尤里。要做太空电梯的缆绳，根据计算，其强度应该在3000万到8000万尤里之间。
什么材料能达到这么高的强度？
事实上，这种物质已经被人类发现。我们在之前关于新材料的节目中提到过，就是把石墨烯卷成圆柱体的形状，也就是碳纳米管。微观上是碳原子以吸管状排列，直径比头发丝还小。但材料的强度会随着碳原子厚度的增加而降低。为了获得最高的强度，有必要制造由单层碳原子形成的碳纳米管。如果工艺完善，理论上单层碳纳米管的强度可以达到5000万到6000万尤里的水平，足以用作太空电梯的电缆。
目前市面上也有叫碳纳米管的材料，但那些其实不能叫真正的碳纳米管，因为碳原子不够细。
2013中国清华大学费薇教授成功制造出当时世界上最长的碳纳米管，长度约0.55米。这一成果在线发表在国际著名的材料科学杂志《美国化学纳米》上[3]。6年后的2019年，费薇教授的团队将世界纪录提高了10厘米，并制造出了长度为0.65米的碳纳米管，论文发表在著名的《自然》杂志下的《自然通讯》[4]2019+08。用了六年时间增加了10 cm，可见制作这种材料的难度。
我们的目标是制造出超过4万公里的长度。显然，还有巨大的技术差距需要弥合，但这已经不是科学原理上的瓶颈了。人类需要的只是时间和一点点好运。不知道人类什么时候才能突破这个技术奇点。
在未来的某一天，一个巨大的浮动平台将会在印度尼西亚Lingamiunai群岛以东的海面上建成。这是1号太空电梯的地面基站，由全世界100多个国家共同建设。这个平台配备了几个航母级的发动机，可以推动平台沿着赤道线移动，不仅可以避开恶劣天气，还可以调整缆绳的位置，避免可能的碰撞风险。
从地面基站到太空，有两条平行的轨道，升降电梯各走各的路。每30分钟就会有一部载重10吨的电梯开始上升，返回地面。远远望去，仿佛天地由两条闪亮的项链相连。
运送到地球同步轨道的每吨货物成本已经下降到5万美元以下，各种物资和太空游客源源不断地被送上地球同步轨道。在太空中，各种工厂开始建造。在失重的太空中组装大型设备甚至比在地球上更容易，越来越多不同功能和形式的太空观光设施被建造起来。
同时，飞船将直接在太空组装，地球太空港的建设也将启动。以地球太空港为基础，人类将逐步扩大我们在太空的活动领域。
月球港和火星港的建设蓝图也已经提上日程。这是人类历史上第二次大航海时代，也必将是一个充满激情和斗志的太空时代。
此时，我的耳边回响着齐奥尔科夫斯基的名言:
地球是人类的摇篮，但人类不可能永远生活在摇篮里。
太空旅行的想象就到此为止了。最后，我再宣布一下今天的知识蛋。
提问:
如果太空电梯的缆绳断了会怎么样？
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