太空電梯是一種被推薦的行星 - 太空運(yùn)輸系統(tǒng)。主要組成部分將是一條固定在表面并延伸到空間的電纜（也稱為系繩）。該設(shè)計(jì)將允許車輛沿著電纜從行星表面（如地球）直接進(jìn)入空間或軌道，而無需使用大型火箭。地基空間電梯將由一端連接赤道附近表面和另一端連接對地靜止軌道（35,786公里高度）以外的空間電纜組成。在下端較強(qiáng)的競爭力以及在上端較強(qiáng)的向外/向上離心力將導(dǎo)致電纜在張力下被保持，并且在地球上的單個(gè)位置上靜止。隨著系繩的部署，登山者可以通過機(jī)械手段重復(fù)攀登繩索，將其貨物釋放到軌道上。登山者也可以下降繩索，將貨物從軌道返回地面。

1895年Konstantin Tsiolkovsky首次發(fā)表了一個(gè)達(dá)到地球同步軌道的塔的概念。他的建議是建造一座從地球表面到地球靜止軌道高度的獨(dú)立塔。像所有的建筑物一樣，Tsiolkovsky的結(jié)構(gòu)將受到壓縮，從下面支撐其重量。自1959年以來，大多數(shù)空間升降機(jī)的想法都集中在純粹的拉伸結(jié)構(gòu)上，系統(tǒng)的重量由離心力從上方保持。在拉伸概念中，空間系繩從對地靜止軌道以上的大質(zhì)量（對重）到達(dá)地面。這個(gè)結(jié)構(gòu)在地球和配重之間保持張力，就像一個(gè)顛倒的鉛錘。

為了在地球上建造太空電梯，電纜材料需要比任何已知材料都更強(qiáng)和更輕（具有更高的比強(qiáng)度）。在設(shè)計(jì)能夠超越討論階段之前，必須開發(fā)滿足苛刻的特定強(qiáng)度要求的新材料。碳納米管（CNT）已被確定為可能能夠滿足地球空間電梯的特定強(qiáng)度要求。其他材料被認(rèn)為是氮化硼納米管和金剛石納米線，最初在2014年建成。

這個(gè)概念適用于其他行星和天體。對于重力比地球（如月球或火星）弱的太陽系中的位置，系繩材料的強(qiáng)度與密度要求并不是問題。目前可用的材料（如凱夫拉爾）強(qiáng)度高，重量輕，因此可用作電梯的繩索材料。

太空電梯被設(shè)想為一條固定在赤道上空的電纜。 上端的配重使質(zhì)量中心遠(yuǎn)高于地球靜止軌道水平。 這會從地球的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生足夠的向上的離心力，以充分抵消向下的重力，保持電纜直立和拉緊。 登山者在纜繩上下運(yùn)載貨物。

早期概念

1895年，當(dāng)俄羅斯科學(xué)家康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基受到巴黎埃菲爾鐵塔的啟發(fā)時(shí)，太空電梯的關(guān)鍵概念出現(xiàn)了。他考慮了一個(gè)類似的塔，它一直到達(dá)太空，并從地面建造到海拔35,786公里，即地球靜止軌道的高度。他指出，這樣一座塔樓的頂部將像地球靜止軌道一樣繞地球旋轉(zhuǎn)。當(dāng)物體在塔上行駛時(shí)物體會達(dá)到水平速度，塔頂釋放的物體將具有足夠的水平速度以保持在地球靜止軌道上。 Tsiolkovsky的概念塔是一個(gè)壓縮結(jié)構(gòu)，而現(xiàn)代概念要求拉伸結(jié)構(gòu)（或“系繩”）。

20世紀(jì)

從頭開始建立壓縮結(jié)構(gòu)證明是不切實(shí)際的任務(wù)，因?yàn)樵谶@種條件下沒有足夠的抗壓強(qiáng)度來支撐其自身重量的材料。 1959年，另一位俄羅斯科學(xué)家Yuri N. Artsutanov提出了一個(gè)更可行的建議。 Artsutanov建議使用地球同步衛(wèi)星作為向下部署該結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。通過使用配重，電纜將從對地靜止軌道下降到地球表面，而配重從衛(wèi)星延伸出地球，使電纜始終保持在地球表面的同一點(diǎn)上。 Artsutanov的想法是在1960年共青團(tuán)真理報(bào)的周日補(bǔ)充版中發(fā)表的一篇采訪中向俄羅斯公眾介紹的，但直到很晚才用英文提供。他還建議縮小電纜的厚度，以便電纜中的應(yīng)力保持不變。這使得地面水平面的電纜變得更薄，在地球靜止軌道的水平面上變得最厚。

1964年12月24日在新科學(xué)家的準(zhǔn)幽默的Ariadne專欄中提出了塔式和有線式的想法。

1966年，四位美國工程師Isaacs，Vine，Bradner和Bachus重新發(fā)明了這個(gè)概念，并將其命名為“Sky-Hook”，并將他們的分析發(fā)表在“科學(xué)”雜志上。他們決定確定建造一座太空電梯所需的材料類型，假設(shè)它是一條直線電纜，橫截面沒有變化，并且發(fā)現(xiàn)所需的強(qiáng)度將是現(xiàn)有材料的兩倍，包括石墨，石英和鉆石。

1975年，美國科學(xué)家杰羅姆皮爾遜再次徹底改造了這一概念，并在“宇航學(xué)報(bào)”上發(fā)表了他的分析。他設(shè)計(jì)了一種錐形橫截面，更適合建造電梯。完成的電纜在地球靜止軌道處最緊張，其中張力最大，并且在尖端處最窄，以減少電纜上任何點(diǎn)必須承受的橫截面每單位面積的重量。他建議使用配重，該配重將緩慢延伸到144,000公里（89,000英里），幾乎是電梯下半部分的月球距離的一半。如果沒有大的配重，由于重力和離心力隨著離地球的距離而改變，電纜的上部必須比下部長。他的分析包括干擾，如月球的引力，風(fēng)和在電纜上下移動(dòng)有效載荷。建造電梯所需材料的重量將需要數(shù)以千計(jì)的航天飛機(jī)旅行，盡管部分材料可能在最小強(qiáng)度的線纜到達(dá)地面或由小行星或月球礦石在太空中制造時(shí)通過電梯運(yùn)輸。

在20世紀(jì)90年代碳納米管的發(fā)展之后，美國宇航局/馬歇爾先進(jìn)項(xiàng)目辦公室的工程師David Smitherman意識到，這些材料的高強(qiáng)度可能使得空間電梯的概念成為可行，并在馬歇爾太空飛行中心組建了一個(gè)研討會，邀請?jiān)S多科學(xué)家和工程師討論概念并編制電梯計(jì)劃，將概念變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

2000年，另一位美國科學(xué)家Bradley C. Edwards建議用碳納米管復(fù)合材料制造一條長達(dá)10萬公里（62,000英里）長的薄紙帶。他選擇了寬薄的帶狀橫截面形狀，而不是早期的圓形橫截面概念，因?yàn)檫@種形狀將更容易受到流星體的影響。帶子的橫截面形狀也為攀登者用簡單的滾子爬升提供了很大的表面積。在美國宇航局高級概念研究所的支持下，Edwards的工作擴(kuò)展到覆蓋部署方案，登山設(shè)計(jì)，動(dòng)力輸送系統(tǒng)，避免軌道碎片，錨定系統(tǒng)，幸存的原子氧，通過在赤道西部找到錨點(diǎn)避免閃電和颶風(fēng)太平洋，建筑成本，施工進(jìn)度和環(huán)境危害。

21世紀(jì)

為了加速太空電梯的開發(fā)，支持者已經(jīng)組織了幾次競賽，類似于Ansari X獎(jiǎng)，以獲得相關(guān)技術(shù)。其中包括電梯：2010年，該組織于2005年至2009年間組織了攀登者，綬帶和電力發(fā)射系統(tǒng)的年度比賽，Robogames太空電梯攀登攀巖比賽以及美國宇航局的百年挑戰(zhàn)計(jì)劃，該計(jì)劃于2005年3月，宣布與Spaceward基金會（電梯運(yùn)營商：2010）合作，將獎(jiǎng)品總值提高到40萬美元。第一個(gè)歐洲太空電梯挑戰(zhàn)賽（EuSEC）于2011年8月成立了一個(gè)登山者結(jié)構(gòu)。

2005年，“LiftPort集團(tuán)的太空電梯公司宣布將在新澤西州米爾維爾建設(shè)一座碳納米管制造工廠，為這些強(qiáng)力材料供應(yīng)各種玻璃，塑料和金屬公司，盡管LiftPort希望最終使用碳納米管在建造一個(gè)10萬公里（62,000英里）的太空電梯時(shí)，這一舉措將使其能夠在短期內(nèi)賺錢，并開展新的生產(chǎn)方式的研究和開發(fā)?！八麄冃嫉哪繕?biāo)是在2010年發(fā)射一枚太空電梯2006年2月13日，LiftPort集團(tuán)宣布，在同一個(gè)月早些時(shí)候，他們測試了一英里由碳纖維復(fù)合材料繩和玻璃纖維膠帶制成的“太空升降繩索”，寬度為5厘米（2.0英寸），寬度為1毫米（約13張紙）厚，用氣球提起。

2007年，“電梯：2010”舉辦了2007年的太空電梯游戲，該兩場比賽各獲得500,000美元獎(jiǎng)金（總計(jì)100萬美元），并在未來五年內(nèi)額外獎(jiǎng)勵(lì)400萬美元電梯相關(guān)技術(shù)。沒有球隊(duì)贏得比賽，但麻省理工學(xué)院的一個(gè)團(tuán)隊(duì)進(jìn)入了第一個(gè)2克（0.07盎司），100％碳納米管進(jìn)入比賽。日本于2008年11月召開國際會議，擬定建造電梯的時(shí)間表。

2008年，布拉德愛德華茲博士和菲利普拉根撰寫的“由太空電梯離開地球”一書以日文出版，并進(jìn)入日本暢銷書排行榜。這導(dǎo)致了日本太空電梯協(xié)會主席小野秀一推出了一個(gè)空間電梯計(jì)劃，提出了觀察員認(rèn)為一個(gè)萬億日元（50億美元/ 80億美元）非常低的成本估計(jì)。

2012年，大林公司宣布38年后可以建造一座采用碳納米管技術(shù)的太空升降機(jī)。]以每小時(shí)200公里的速度，該設(shè)計(jì)的30人乘坐的登山者在經(jīng)過7.5天的行程后將能夠達(dá)到GEO的水平。沒有成本估算，財(cái)務(wù)計(jì)劃或其他細(xì)節(jié)。這與時(shí)間以及其他因素一起，暗示該公告主要是為了公司在東京的其他項(xiàng)目之一的開業(yè)提供宣傳。

2013年，國際宇航科學(xué)院發(fā)布了一項(xiàng)技術(shù)可行性評估，得出的結(jié)論是，所需的關(guān)鍵能力改進(jìn)是系繩材料，預(yù)計(jì)在20年內(nèi)達(dá)到必要的強(qiáng)度重量比。長達(dá)四年的研究考察了太空電梯開發(fā)的許多方面，包括任務(wù)，開發(fā)計(jì)劃，財(cái)務(wù)投資，收入流和收益。據(jù)報(bào)道，有可能在運(yùn)行中承受較小的影響，避免更大的影響，流星和空間碎片，并且將一公斤有效載荷提升到GEO及其以后的估計(jì)成本將為500美元。

2014年，Google X的快速評估研發(fā)團(tuán)隊(duì)開始設(shè)計(jì)一款太空電梯，最終發(fā)現(xiàn)還沒有人制造完美成型的長于一米的碳納米管束。因此，他們決定將這個(gè)項(xiàng)目放在“深度凍結(jié)”中，并且密切關(guān)注碳納米管領(lǐng)域的進(jìn)展。

太空電梯電纜隨著地球的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)。 因此，附著在電纜上的物體會在與向下的重力相反的方向上受到向上的離心力。 物體所在的電纜越高，地球的重力拉力就越小，并且由于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的向上的離心力越強(qiáng)，所以更多的離心力對抗較小的重力。 地球同步赤道軌道（GEO）的離心力和重力均衡。 在GEO以上，離心力比重力強(qiáng)，導(dǎo)致附著在電纜上的物體向上拉。

附著在電纜上的物體的凈力稱為表觀引力場。 附著物體的表觀引力場是（向下）重力減去（向上）離心力。 電纜上的物體所經(jīng)歷的表觀重力在GEO處為零，低于GEO，并且高于GEO。實(shí)際重力的向下力隨著高度而下降，由于行星旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的向上的離心力隨著高度而增加。