坐上電梯去太空

看過《流浪地球2》的同學(xué)，想必對其中狂拽炫酷的太空電梯記憶猶新。現(xiàn)實(shí)中，地球上的電梯最高有多高呢？目前世界上最高的建筑，是迪拜828 米高的哈利法塔，其中的電梯能在一分鐘內(nèi)縱貫數(shù)百米。用于金礦開采的礦井中，一些電梯通過接力的方式甚至可以深入地下幾千米。但不論“上天”還是“入地”，都與電影中綿延90000 千米的太空電梯相去甚遠(yuǎn)。如此宏偉的工程難度有多大？如果真想造一部太空電梯，應(yīng)該怎樣做呢？

反常的結(jié)構(gòu)

太空電梯的結(jié)構(gòu)會有點(diǎn)兒“反常識”。地球半徑只有6300多千米，相比之下，長達(dá)數(shù)萬千米的太空電梯實(shí)在太“高”了，正常搭建的話，用整個地球做底座都嫌小，況且也沒有材料能承受這么高的建筑的重量。于是只能換個思路，把太空電梯“倒過來”，先在地球軌道上建一座空間站，再建一條從空間站上垂下的“懸梯”直抵地表。

太空電梯很長，也很脆弱，太陽和月亮的引力、地球磁場、大氣環(huán)流等都可能對它形成擾動，導(dǎo)致其在空中彎曲和扭轉(zhuǎn)，而且這種引發(fā)形變的力量經(jīng)過傳導(dǎo)，會在電梯連接地表處達(dá)到最強(qiáng)，就像在揮舞鞭子時，鞭梢的移動速度要比手快得多。為了不被扯斷，太空電梯的纜索需為柔性材料，才能夠自由彎曲。當(dāng)然，也可以采用分段式的設(shè)計來減少晃動，但這樣就會大大增加結(jié)構(gòu)上的復(fù)雜性。

高強(qiáng)度的材料

太空電梯所用的材料中，用于制造纜索的最為重要，既要強(qiáng)度極高，又要重量極輕，這樣“懸梯”才不至于被自身的重量所“抻斷”。如果采用鋼鐵，建到10千米左右已是極限。可用于防彈衣的超高分子量聚乙烯纖維，其強(qiáng)度遠(yuǎn)超鋼鐵，但仍不足以勝任。目前，碳納米管是最有希望的材料，其強(qiáng)度和重量都滿足要求，但以當(dāng)下的技術(shù)生產(chǎn)出的單根管長度很短，還只能以厘米計，與太空電梯所需相差太遠(yuǎn)，且很容易被大氣中的一些成分及空間輻射破壞。看來研究材料科學(xué)的科學(xué)家們還需要加把勁兒。

特別的選址

為了讓太空電梯與地表連接的位置相對固定，不至于隨著空間站的繞地運(yùn)行在地球上繞圈，電梯的重心需位于地球同步軌道上——這是赤道上空環(huán)繞地球的一條軌道，距離地表大約36000 千米。在這條軌道上，物體繞地球轉(zhuǎn)一圈剛好需要一天，和地球自轉(zhuǎn)周期相同。這樣，太空電梯就能和地表保持相對靜止。為了避免太空電梯彎曲變形時扯斷同地表的連接，也為了在必要時閃避太空垃圾等的撞擊，太空電梯的“末梢”要能夠移動——建在水上不失為一種可行的方法。

能源傳輸新方法

相比傳統(tǒng)火箭，能利用電能升空是太空電梯的一大優(yōu)勢，這樣就不必攜帶過多的燃料，但同時也帶來了新的問題。通常情況下，電能在傳輸過程中是有損耗的，傳輸距離越長，損耗越大。在太空電梯如此龐大的建筑規(guī)模上，絕大部分電能都在傳輸中被白白浪費(fèi)掉了，余下的有效能量微乎其微。為了充分利用電能，需要一種被稱為“超導(dǎo)體”的特殊材料——顧名思義，這種材料具備超強(qiáng)的導(dǎo)電能力，可以無損耗地傳輸電能。超導(dǎo)體在極低的溫度下才能發(fā)揮作用，原本應(yīng)用范圍很受限，可巧的是，大氣層外的宇宙空間正好能滿足低溫條件，余下的問題就是如何為超導(dǎo)體減重了。也可以從地面發(fā)射激光，通過給安裝在太空電梯上的太陽能電池充能來驅(qū)動它，工程上會更簡單。

強(qiáng)大的維生系統(tǒng)

太空電梯還得保障乘客的安全。電梯所在的位置跨越了地球周圍的高能帶電粒子聚集區(qū)，此外還有來自星際空間的高能射線，需要做好輻射防護(hù)；高速飛行的流星、太空垃圾以及可能的襲擊能夠造成實(shí)實(shí)在在的破壞，因此需要圍繞電梯建立強(qiáng)大的防御系統(tǒng)；作為乘客安全的最后保障，電梯上應(yīng)當(dāng)設(shè)計逃逸裝置，一旦整個系統(tǒng)遭到毀壞，電梯載人的部分可以脫離纜繩，自主落回地表；為了避免減速時乘客“跌落”并被壓在天花板上，電梯箱體可以設(shè)計成能夠翻轉(zhuǎn)；和電影中不同，太空電梯的旅途實(shí)際會漫長得多，如果以“復(fù)興號”高鐵的速度狂奔，電梯要四天半才能到達(dá)地球同步軌道，哪怕按民航客機(jī)的速度，也要一天半，因此得備好相應(yīng)的生活物資與設(shè)施——瓜子、泡面、火腿腸可能不必，但廁所大概是免不了的……