搭乘電梯去太空

姜靖

太空電梯，100多年前就被提出

在《圣經·創世紀》中有這樣一則故事——地面與天空用“天梯”連接，人可以通過“天梯”往返于天地之間。雅各布在夢中沿著登天的梯子取得了“圣火”。后人便把這夢想中的梯子，稱為“雅各布天梯”。

太空電梯的概念最早在1895年提出。當時，俄羅斯火箭專家齊奧爾科夫斯基從巴黎的埃菲爾鐵塔得到靈感，大膽提議從地球的表面到其靜止的軌道高度建一個“獨立的塔樓”，并通過一條纜繩和一個電梯艙，將“塔樓”與地面連接起來，這樣太空飛船可以不通過火箭發射就進入軌道。不過這在當時看起來簡直是天方夜譚，甚至有人嘲諷他“不如改行去寫科幻小說”。

不過太空電梯的概念自從被提出后，確實也成了科幻小說中常見的創作元素。1978年，被譽為現代科幻三巨頭之一的阿瑟·克拉克，就曾將這一設想寫進他的科幻巨著《天堂之泉》。這部小說描繪了在一座熱帶島嶼上，人們可以通過搭乘落在赤道上的一座天梯前往太空觀光或運送貨物。

2015年世界科幻小說最高獎“雨果獎”的獲得者劉慈欣，在其科幻著作《三體》中，也多次提及太空電梯。其中有這樣一段描述：

“所有的太空電梯都只鋪設了一條初級導軌，與設計中的四條導軌相比，運載能力小許多，但與化學火箭時代已不可同日而語。如果不考慮天梯的建造費用，現在進入太空的成本已經大大低于民航飛機了。”

不光在文學界，在現實社會中，太空電梯也激發了科研人員的興趣。

“我喜歡這個異想天開的創意，”倫敦大學學院高度、空間和極端環境醫學中心創始人凱文·方在接受BBC電視臺的新聞采訪時說，“我能理解人們為什么被太空電梯的概念吸引，如果我們能以廉價和安全的方式進入太空，整個太陽系就會成為我們的囊中之物。”

預計耗資近百億美元，值得嗎

太空電梯之所以能點燃各國科學家的研究熱情，低成本是主要原因。據國際宇航科學院（IAA）報告統計，一旦太空電梯建立，攜帶負載進入太空的成本可由每千克2萬美元下降至500美元，可以為人類省下一大筆費用。

這主要是因為化學燃料占火箭80%的空間，14%為火箭的主要結構，只有6%的空間可以載人，發射和回收成本高昂。相比之下，太空電梯則擁有體積小、耗能低的優點。

而且加拿大托特技術公司也估算過，太空電梯應用后，航天飛機太空飛行的成本能節省大約1/3，會大大提高人類造訪太空的頻率，此舉將開創人類探索太空的新紀元。為此，目前全球已有數個太空電梯項目在加快執行步伐。

1991年，碳納米管被日本研究員飯島意外發現，這種新型材料具有拉伸強度高、抗形變力強等極佳的力學性能，被科學家認為是制作太空電梯的最理想材料。

8年后，受美國國家航空航天局（NASA）資助，洛斯阿拉莫斯國家實驗所的布拉德利·愛德華茲博士，制訂出使用新型碳材料制造太空電梯的方案，并發布了用碳納米管材料制作太空電梯的可行性報告。他還指出，太空電梯的成本為70億至100億美元，這遠遠低于其他大型太空項目的投資。

找到制造材料是最大挑戰之一

根據科學家的設想，太空電梯的主體由5部分構成：地面基座、纜繩、電梯艙、太空站和重量平衡器。

其運作模式大致如下：從距離地面3.6萬千米的地球同步衛星上“拋”下一根纜繩，下垂至地面基站，在引力和向心加速度的相互作用下，纜繩被繃緊；電梯艙則沿著纜繩往來運輸人和物；此外，為保持平衡，在太空站遠離地球的另一側，也要架設數萬公里的纜繩索道，并在纜繩末端連接一個重量平衡器。整條纜繩全長約為10萬千米，大致相當于地球到月球距離的1/4。

那么在現實中要建造太空電梯，挑戰在哪里呢？

從哥特式大教堂到摩天樓再到太空電梯，在建造任何高層建筑時，堅固度和平衡重心是兩大關鍵。不過直到現在，可用于制造太空電梯所需繩索的材料仍屈指可數。

一根普通的鋼絲從9千米的高空中垂下來就會被自重所拉斷。好在碳納米管的發現，讓人們重新燃起了希望。2014年9月，美國科學家、賓夕法尼亞州立大學的化學教授約翰·巴丁在《自然材料》上發表文章，稱他們研發出了超細、超堅固的納米線，比之前發現的碳納米管更堅固和牢靠。“我們的納米線就像是一個由尺寸最小的鉆石串成的微型項鏈，其中一個最瘋狂的想法就是用于制造超級堅固的輕型繩索，讓打造太空電梯的夢想成為現實。”巴丁說。

目前，太空電梯不再被當作一個“超前命題”，這個項目逐漸被美國航空航天局、歐洲航天局等研究機構所接受。隨著新材料科學的發展，太空電梯開始從幻想走進現實，不再是那么遙不可及。