乘“電梯”去太空的夢想能成真嗎？

龐之浩

要問如今哪部佳作最能代表中國目前電影工業最高水準，毫無疑問是《流浪地球》。它給全國觀眾帶來了驚喜，所有后期特效均為我國自己的團隊完成，卻讓不少觀眾在電影開場30分鐘后都產生在看“好萊塢頂級大片”的錯覺。

片中那段展現太空電梯的長鏡頭，更讓全世界影迷都震撼不已。雖說《流浪地球》是一部科幻小說，但太空電梯實際上并非作者的虛構之物，而是一項已經被人類研究了幾十年的高精尖技術。未來的某一天，坐著“天梯”去遙遠的太空，并非白日做夢。

什么是太空電梯？

顧名思義，太空電梯，就是連接地面和太空的一座很高的電梯。

太空電梯的概念最早是由俄國科學家、航天之父齊奧爾科夫斯基在1895年提出。1979年，著名科幻大師亞瑟·克拉克在其小說《天堂噴泉》中再次提出太空電梯的概念，并引起廣泛注意，因為它具有理論基礎和科學依據。

2021年11月，國際太空電梯聯盟主席斯旺對外宣稱，未來，太空電梯將作為永久性物流基礎設施，可把物資和人員運到太空，從而成為進入太空的新通道。現已有不少科學家認為，就在本世紀內，太空電梯的夢想將成真。

有的朋友肯定要問了，為何人類已經掌握了火箭技術，卻還要捉摸著造太空電梯？

原來，運載火箭的原理是通過消耗大量燃料來擺脫地球引力，所攜帶的燃料占火箭總重量的90%以上，因此每運送1千克有效載荷上天，平均需耗資至少1萬美元。

而太空電梯則不需要耗費大量燃料，它可以像高速公路一樣24小時不停運轉，將航天器、各類物資、人員帶到太空中。據權威論證，太空電梯運輸物資的成本每千克僅為500美元，相比運載火箭的至少10000美元，低了兩個數量級！因此雖然建造太空電梯的費用也很昂貴，但建成運行之后可謂一本萬利！

建造原理并不復雜

其實，太空電梯的原理并不復雜，說到底就是將一條長長的纜繩一端固定在地球表面，另一端緊緊抓住位于距地面約3.6萬千米的地球靜止軌道上的平衡物（如大型空間站）。在引力和離心加速度的相互作用下，纜繩將會繃緊，一個形似電梯的吊箱便可利用太陽能或激光能轉變成的電能，載著貨物、人員沿纜繩在太空和地面之間自由上下往返。

具體來說，太空電梯主要由4個部件組成：基座、纜繩、電梯吊箱和動力系統。

基座是太空電梯在地面上的基礎結構，必須建在地球赤道地區，既可以建在陸地上，如高山頂或高塔尖上；也能建在海上，像一個巨大的港口，要位于一個暴風雨、閃電和巨浪較少的海域，還要遠離飛機航線和衛星軌道，尤其是要防雷擊。

纜繩是太空電梯的關鍵技術和設備，制造纜繩的材料必須有很高的拉伸強度，可大規模生產，還要造價低廉、質量很輕。在建造太空電梯時，地面將發射卷有纜繩的航天器到太空，讓纜繩的一端借助重物墜回地球，與地面上的基座平臺相連接；另一端連接位于地球靜止軌道的航天器。當地球自轉時，太空電梯的纜繩會產生向上的離心力，而地球的重力又將其往下拉，這樣纜繩就能實現平衡。

電梯吊箱是載人和運貨的部件，其功能跟傳統電梯一樣，但原理和結構不同。電梯吊箱雖然也是沿著纜繩向上爬，但從天上垂下一根超長的纜繩來將它吊上去是不太可能的，它得自己想辦法爬上去。最簡單的方法是給電梯吊箱裝上馬達，帶動安裝在吊箱上的一組輪子轉動，輪子緊緊卡住纜繩上的履帶軌道，吊箱便能沿著纜繩向上滑行。

作為動力系統的馬達，其電源可以來自纜繩，也可以來自裝在電梯吊箱上的發電機，但這兩種方式都會增加電梯吊箱的重量。減輕重量的方法是在電梯吊箱上安裝光電轉換裝置，然后從地面發射激光到光電轉換裝置上，最后用電將其“射”上去。

最大技術瓶頸——纜繩

目前，太空電梯走向太空的最大障礙還是纜繩的建造。

例如，若是用比較結實的鋼纜當纜繩，則纜繩不能太長，否則會因纜繩自身重量太重而掉下來；且鋼纜難以經受巨大的拉力，容易斷裂。而用其他較輕的材料制造纜繩就更不結實了。

由于太空電梯的纜繩要承受地心引力和離心力的雙重拉扯，所以它需要用又強又輕的材料制成，并能夠經受住大氣層內外向它襲來的任何物體的撞擊。也正因如此，太空電梯的概念在提出后的很長一段時間里，被認為是不可能實現的，不管用多么堅固的材料制造纜繩，它都會因承受不了太空電梯兩端產生的巨大拉力而發生斷裂。

1990年，美國科學家提出使用像鉆石一樣強韌又高彈的碳納米管，其初步設想是：太空電梯的纜繩是由10億條長達10萬千米的碳納米管制成的。

1991年，日本科學家真的發現了質量輕、強度高的碳納米管，讓太空電梯這一設想變為現實有了希望。碳納米管是石墨中一層或若干層碳原子卷曲而成的籠狀“纖維”，直徑只有幾到幾十納米，內部是空的。這種材料又輕又結實，密度是鋼的六分之一，強度卻是鋼的20倍至近百倍。也就是說，一根像縫衣線粗細的碳納米管就能承受一輛汽車的重量。目前，日本在碳納米管的開發上已取得一定進展。

日本大林建設公司計劃在2050年建成太空電梯，該電梯由6個長18米、直徑7.2米的橢圓柱形電梯吊箱組成，速度約200千米每小時，每次可運送30位旅客。拉動電梯的纜繩中間部位是一個空間站，站內將建設實驗設施及居住空間。為了保持穩定，避免在地球靜止軌道上的空間站因太空電梯太重被拉回地面，空間站的另一端還要加裝一條纜繩延伸懸浮到太空中以起到平衡作用，緩解太空電梯承受的地球引力。這樣一來，纜繩的總長度將達到9.6萬千米。

然而迄今為止，科學家仍然無法用碳納米管編織出很長的纜繩，只能在實驗室生產出長1米左右的碳納米管，更不用說每克碳納米管價值500美元，要制造出一條10萬千米長的碳納米纜繩，不敢想象有多昂貴。也就是說，目前研制太空電梯最大的挑戰是能否以低成本、大規模生產出碳納米管纖維材料。

此外，研究發現碳納米管長期置于大氣層中會受損，因此目前科學家也在測試用金屬和硅保護碳納米管表面的技術。

雖困難重重但未來可期

除了纜繩方面的技術難點之外，太空電梯還面臨著許多問題。

首先，當太陽風向太空電梯施加壓力時，來自月球和太陽的重力作用將使纜繩變得搖擺不定。這有可能使太空電梯搖擺造成太空交通障礙，例如撞上人造衛星或者太空垃圾殘骸，從而導致纜繩斷裂或電梯失事。為此，太空電梯必須在內部建造推進器，以保持穩定避免搖擺振動，但這勢必會增加建造的難度和建造、維護的成本。

再者，在地球外層、距離地面1000～20000千米的區域分布著一條強度很高的輻射帶，如果缺乏有效的防護措施，那么乘坐太空電梯穿越該區域的乘客將受到高強度射線的照射。再加上太空電梯的爬升速度較慢，預計不會超過200千米/小時，這就意味著，搭乘太空電梯的人員在輻射區中將待上至少3天時間。對此，科學家已提出多種解決方案，其中一種解決方案是在太空電梯外部建造一個防護層，但這會使太空電梯變得異常笨重和復雜，難以克服地球引力的影響；另一種解決方案是在太空電梯周圍構建一層人造磁場，以抵御各種危險的射線，但這會嚴重削弱太空電梯的升力，導致向太空運送物資和人員的能量消耗大幅增加。

除此之外，太空電梯還有一些安全問題需要解決。例如，雷擊、流星、太空碎片、颶風、原子氧等，有的問題已有對策。例如，有兩種辦法可使太空電梯免遭雷擊：其一是將太空電梯的基座選在地球上的無雷區；其二是將太空電梯的基座建在6千米高的山頂上，在此高度一般很少發生閃電。

盡管建造太空電梯困難重重，但科學家仍然相信它未來可期。因為一旦太空電梯取得突破性進展，就意味著太空觀光變得觸手可及，還能以較低成本在地球和太空間運輸物資。

在各國科學家的努力下，這個曾被視為科學幻想的革命性工程近年來也有了較大進展。各國科學家現已提出8個比較穩健、合理的太空電梯設計方案。我國清華大學魏飛教授團隊早已成功制備出世界上最長的、單根長度達半米以上的碳納米管，創造了當時的世界紀錄。2018年9月25日，日本曾用貨運飛船把一對用于世界首次太空電梯試驗的立方體衛星送往國際空間站，接著在國際空間站上釋放了這對邊長為10厘米的立方體衛星，它們之間用長約10米的纜繩連接，最后嘗試把一個像電梯吊箱的容器通過電動機轉動的纜繩從一端移動到另一端。這是人類首次在太空中移動纜繩上的容器，為實現太空電梯邁出了重要一步。

國際太空電梯聯盟主席斯旺表示，太空電梯建成后，預計8天可到達地球靜止軌道、14天到達月球、61天到達火星，其產生空間碎片的可能性很小，是一條綠色天路。不過，用運載火箭進入太空也不會因此被拋棄，畢竟運載火箭的速度比太空的方式電梯快，能迅速穿越輻射帶，所以已經有人提出以“太空電梯+運載火箭”的方式運輸，實現互補。根據目前的科技水平和發展速度，有人預測太空電梯將在2050年至2100年投入業務運營。

真正的科幻不僅僅是幻想，更是對未來的預言。沒準在我們的有生之年，真的能搭乘太空電梯沖破云霄，飛向無垠的宇宙，將人類文明的種子帶到未知的黑暗中，點亮蠻荒！

●梁衍軍 薦自《北京日報》