建造太空電梯需要幾步

穆勒家保姆

“女士們，先生們，太空電梯即將到達(dá)失重空間站， 請(qǐng)做好準(zhǔn)備， 從右側(cè)梯門下梯。”“Ladies? andgentelmen， we are approaching space station. Pleaseprepare to get off the elevator. The? door will be open atthe right side.”如果我說，有一天你將親耳聽見這樣的播報(bào)聲，你相信嗎？

太空電梯的緣起

20世紀(jì)初，被譽(yù)為“航天之父“的俄國(guó)科學(xué)家康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基提出過幾大構(gòu)想：火箭使用液體燃料；宇宙空間中反作用力是移動(dòng)的唯一方法；將兩節(jié)以上的火箭串聯(lián)起來，組成一列多級(jí)火箭，以此提高火箭的速度。在100多年后的今天，這些設(shè)想都已經(jīng)成為航天領(lǐng)域的重要應(yīng)用。

然而， 他在1895年提出的一個(gè)設(shè)想?yún)s至今仍未實(shí)現(xiàn)。他提議在地面上建設(shè)一座超高的鐵塔，將之一直建到地球同步軌道為止，在鐵塔內(nèi)架設(shè)電梯，這樣人類便可以搭乘電梯進(jìn)入外太空。這，便是太空電梯最初的設(shè)想。

齊奧爾科夫斯基是在參觀了法國(guó)埃菲爾鐵塔后受到啟發(fā)，提出了太空電梯的設(shè)想！但是，地球同步軌道距離我們約3.6萬千米，目前世界上最高的建筑是位于迪拜的哈利法塔，高度卻只有828米。這樣一看，似乎太空電梯的設(shè)想是無法實(shí)現(xiàn)了。別急！我們先來想想怎么解決這個(gè)難題！

如果一時(shí)半會(huì)兒沒有思路的話，先試著回答下面這個(gè)問題：假如要把一只風(fēng)箏放到250米的高空，除了在地面上奔跑，不斷放長(zhǎng)線繩，將風(fēng)箏放飛到空中外，還能怎么做？你可以坐直升機(jī)到空中更高的位置，將風(fēng)箏扔出，然后慢慢放線，讓風(fēng)箏到達(dá)離地面250米的半空。

同樣的，我們想要建造一座直達(dá)外太空的電梯，最重要的就是需要提供繩索和軌道，那么，既然從地面向上建造不現(xiàn)實(shí)，我們是否能從太空中“扔”下繩索？我們可以先發(fā)射一顆地球同步衛(wèi)星，然后從衛(wèi)星上將繩索“垂”到地面，在地面將其固定，這樣便形成了太空電梯的運(yùn)行軌道。如今的太空電梯計(jì)劃，正是基于這種逆向思維展開的。

大林組的太空電梯計(jì)劃

在眾多太空電梯計(jì)劃中，日本著名建筑公司大林組在2012年宣布的太空電梯計(jì)劃格外受世人關(guān)注。

2012年2月，擅長(zhǎng)建高塔的大林組宣布要投資100億美元建設(shè)太空電梯，預(yù)計(jì)電梯時(shí)速200千米，單程需要7天抵達(dá)目的地。大林組計(jì)劃于2025年左右在赤道附近的海上開工，于2050年左右落成運(yùn)營(yíng)。然而，10年過去了，該項(xiàng)目的運(yùn)行似乎并不順利，就連大林組一直參與太空電梯研發(fā)的高級(jí)工程師石川洋二都坦言，這個(gè)項(xiàng)目越開展越困難。

首先，不考慮一切外部因素，太空電梯主要由4個(gè)部分構(gòu)成：電梯的廂體，廂體上下運(yùn)行所需的纜繩、軌道，在地球上固定纜繩的海上基地以及配重。前面三個(gè)似乎很容易理解，但為什么還需要配重呢？

回到剛才的太空電梯設(shè)想中，我們要從同步衛(wèi)星上“扔”下纜繩，將其一直“垂”到地球上，可隨著纜繩的逐漸下降，纜繩的重量會(huì)對(duì)地球同步衛(wèi)星產(chǎn)生面向地心的拉力。也就是說，纜繩在下降的過程中，會(huì)把原本穩(wěn)定的同步衛(wèi)星給“拽”下來。為了解決這個(gè)問題，我們?cè)谙路爬|繩的同時(shí)，必須想辦法同步抵消這種拉力。

但新的問題又來了，纜繩實(shí)際上并非處于靜止?fàn)顟B(tài)，而是隨著同步衛(wèi)星在高速轉(zhuǎn)動(dòng)，在此過程中，纜繩很可能會(huì)斷裂。太空電梯對(duì)材料抗拉能力的要求非常苛刻，即便用鋼來做纜繩，也會(huì)在強(qiáng)大的引力作用下變形。至此，如何找到密度小、抗拉強(qiáng)度大的材料成為棘手的問題。

破解纜繩難題

目前，最有可能滿足上述要求的材料是碳納米管——由碳原子組成的管狀結(jié)構(gòu)的納米材料，這是目前已知的理論上力學(xué)強(qiáng)度最高且韌性最好的材料。

碳納米管的密度大約是1700kg/m2，如果用碳納米管做太空電梯的纜繩，碳納米管的抗拉強(qiáng)度至少要達(dá)到9 0GPa。目前，我們能夠在實(shí)驗(yàn)中合成的碳納米管的抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到200GPa，對(duì)于具有理想結(jié)構(gòu)的單壁碳納米管而言，其抗拉強(qiáng)度甚至可以達(dá)到800GPa。這樣看來，只要生產(chǎn)出足夠長(zhǎng)的碳納米管，問題似乎就能迎刃而解。

然而，太空電梯的探索之路注定崎嶇不平。雖然自1991年日本科學(xué)家飯島澄男發(fā)現(xiàn)并命名了碳納米管之后，許多研究團(tuán)隊(duì)重新拾起了太空電梯計(jì)劃，但大家很快就發(fā)現(xiàn)，受制備工藝所限，實(shí)際能夠制備出的碳納米管非常有限，且存在結(jié)構(gòu)缺陷。太空電梯的探索之路又遇障礙。

2013年，清華大學(xué)魏飛教授及其團(tuán)隊(duì)的相關(guān)研究，使太空電梯計(jì)劃迎來了一線曙光。該團(tuán)隊(duì)提高了生產(chǎn)碳納米管的催化劑活性概率，并成功制備出了單根長(zhǎng)度超過半米且具有完美結(jié)構(gòu)的碳納米管。目前，他們正在研制長(zhǎng)度在千米級(jí)以上的碳納米管。

碳納米管的窘境

如果要將碳納米管用于太空電梯項(xiàng)目，就必須考慮其耐久性。為了檢驗(yàn)碳納米管的耐久性，日本大林組于2015年將碳納米管樣品送到了位于地表上空400千米左右的日本實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)。樣品被放置在太空中兩年后，又被重新帶回地球。研究人員分析后發(fā)現(xiàn)，碳納米管的表面已受損。

要知道，400千米高空屬于大氣層中的電離層，空氣極其稀薄，即便是這樣，兩年時(shí)間里碳納米管已遭到破壞。可以想象，暴露在對(duì)流層內(nèi)的纜繩會(huì)面臨更加嚴(yán)峻的考驗(yàn)。

提高纜繩耐久性方面的研究雖然困難重重，但從未停止。當(dāng)然，除了耐久性問題的探索以外，還有很多難題有待解決。例如，如何確保電梯廂體具有足夠的動(dòng)力支持，可以一直從地面升到太空站？再比如，如何讓太空電梯自動(dòng)躲避太空碎片和一些可能撞上來的衛(wèi)星？等等。

太空電梯的遙想

既然建造太空電梯這么困難，為什么我們還要執(zhí)著于這個(gè)設(shè)想呢？

在目前的國(guó)際商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射中，每千克載荷的運(yùn)輸成本在0.2萬～2萬美元之間。一趟太空旅行至少需要10萬美元。假設(shè)太空電梯可以建設(shè)成功，不考慮初期的建設(shè)成本，根據(jù)日本大林組的預(yù)估，每千克載荷的運(yùn)輸成本約為200美元。也就是說，建成太空電梯后，不僅太空觀光成為可能，人類還能夠?qū)崿F(xiàn)低成本在地球和太空間運(yùn)輸物資。這，也許會(huì)成為人類太空探索史上最動(dòng)人心魄的轉(zhuǎn)折點(diǎn)！

仰望天空，自由暢想。也許終有一天，人類會(huì)看到一座宏大的天梯，穿過遙遠(yuǎn)的云層，以摧枯拉朽之勢(shì)沖向地表，縱貫天地，艷絕古今。

本文轉(zhuǎn)自微信公眾號(hào)“中科院物理所”