連接天地的“高速公路”——太空電梯

著名科幻小說家劉慈欣在《三體》中描述了一種奇特的裝置——“天梯三號”，它就是我們今天要介紹的“主角”——太空電梯。

隨著科學技術的發展，機械化的程度越來越高，人們的生活越來越便利，只要是稍高一點的樓層通常都會安裝電梯。電梯在城市中隨處可見，借助電梯我們可以節省上下樓梯的時間和體力。隨著人類對太空探索需求的加大，我們經常要使用運載火箭。不過，運載火箭花銷巨大，費時費力。如果能在太空建造一個電梯，“登天”就會方便得多了。而且設想中的太空電梯不僅可以運輸貨物，還可以帶人類去太空觀光。

盡管迄今為止，太空電梯還只存在于人們的想象中，但在科學界，它早就不是什么新鮮詞匯了。1895年，俄國科學家康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基在法國巴黎參觀埃菲爾鐵塔時突發奇想：要是建造一座高度超過3.5萬千米的“太空塔”，讓它的頂端與地球靜止軌道上的“太空城堡”相連，不就可以向“太空城堡”運送人員和物資了嗎？遺憾的是，在那個飛機還沒有上天的年代，齊奧爾科夫斯基的這一設想并不受重視，甚至被嘲笑為癡人說夢。直到2003年，美國和俄羅斯的多名科學家對太空電梯進行了討論，才肯定了這一偉大的構想。隨后，美、俄、日等多國開展研究，制造太空電梯的計劃逐漸被提上日程。

齊奧爾科夫斯基有多牛？

齊奧爾科夫斯基是現代航天學火箭理論的奠基人，被譽為“火箭之父”。早在100多年前，他就設計了世界上第一艘宇宙飛船，提出了多級火箭理論以及用液體燃料推進劑代替固體燃料推進劑等超時代的偉大設想。正是依據這些航天理論，人們才發明了火箭，把宇宙飛船送上了太空。他有一句名言：“地球是人類的搖籃，但人類不可能永遠生活在搖籃里。”

按照科學家的設想，未來太空電梯有6個橢圓形的運載艙，一次能搭載30個人，速度為每小時200千米，這樣8天以后就能到達太空站。

如果太空電梯成為現實，它將是一種比火箭便宜得多的太空運輸工具。目前運載火箭，總重的90%是燃料，5%是船體，最后的5%才是宇航員、衛星和其他有效載荷。與消耗的大量燃料相比，有效的載荷太少了，因此火箭的效率太低。目前的行情是：每運送1千克載荷進入太空就要花費2萬美元。而太空電梯就不同了，升降艙可以在下降時回收上升過程所積累的能量（勢能），而且可以借助太陽能提供動力。因此，它的效率遠比火箭高。

現在我們在發射飛船時，需要火箭提供動力，才能讓飛船獲得擺脫地球引力的速度。而由于太空電梯是同步繞地球轉動的，因此只要將飛船運送到空間站，輕輕放出，飛船就會獲得擺脫地球引力的速度。

太空電梯一旦建成，將有效解決火箭發射成本高的問題。由于太空電梯的成本較低，普通人也可以前往空間站，觀看太空景色。

那這樣的太空電梯，建起來一定很難很難吧？

難，也不難。

說不難，是因為只要在距離地面大約3.6萬千米的“地球同步軌道”上選擇一個點（這個點會像同步衛星那樣，和地球保持同步轉動，因而從地球上看是靜止的），把太空電梯的一頭放到這個點上，然后往下拉繩子，一直通到地面，太空電梯的雛形就算完成了。

聽起來是不是很簡單？確實很簡單，但是別忘了，太空電梯的高度大約是3.6萬千米，任何垂直的繩索達到這樣的長度，都會被自身的重量拉斷，更不用說拉升電梯轎廂了。棉繩、麻繩、塑料繩這些都不用說，就連鋼絲繩也只能維持20千米，連零頭的零頭都還達不到。

不過人類也不是完全沒辦法。1991年，日本一家公司發現了一種超強新型材料——碳納米管，這種材料理論上完全能滿足太空電梯纜索的要求。科學家發現，僅1立方厘米的碳納米管纖維，就能承受160頭大象的重量（超過800噸）不會斷裂，而它自身的重量只有1.6克。由于這種材料實在太強了，簡直不像是地球的產物，有人甚至懷疑它是外星人送給地球人的禮物。

既然纜索的材料已經找到了，只要生產出纜索，不就能建造太空電梯了嗎？但問題來了。這種材料暫時還只存在于實驗室里，沒辦法量產。要用它來做纜索，只能一個分子一個分子地拼。2013年，我國清華大學的一個研究團隊制造出了當時世界上最長的碳納米管，但也只比半米長一些。相比之下，把鐵棒磨成繡花針可能還容易一點呢！

況且，即便是最結實的碳納米纜索，位于太空電梯的中間部分也可能會被輕易拉斷，而這還沒算上太空電梯頂端配重塊對其施加的強大拉力呢。

如果一根纜索容易斷，那就多用幾根纜索，或者把纜索加粗，行不行？加粗當然可以，但纜索越粗，它的質量也越大，因此纜索永遠承受不了其自重。我們現在鋪設超高壓電纜，通常都是用無人機或直升機先拉一條細細的先導纜索，再一級一級加強，即用尼龍線拉鋼絲的方式，把沉重的電纜拉過寬闊的江河。但是，跨江電纜是水平鋪設的，且最多只有幾千米長，而太空電梯的纜索卻是直上直下、長幾萬千米，且中間不能中斷。

而且，目前人類最強大的火箭只能把百余噸的載荷送到近地軌道，沒有任何火箭可以一次性地把幾十萬噸的纜索拖到地球同步軌道，更不用說讓它到達配重所在的10萬千米的高空。

還有一個問題：即便我們千辛萬苦、耗費巨資建成了太空電梯，也無法一勞永逸地使用它。太空電梯從低空到高空會面臨全方位的威脅：雨水、風沙、鹽霧會侵蝕纜索；大氣流動會對纜索施加橫向拉力，使它彎曲、振動；電梯轎廂高速上下運動會造成纜索表面快速磨損；在中低軌道運行的所有航天器，只要其軌道穿越地球赤道，理論上都可能與太空電梯的纜索發生高速碰撞，數以百萬計的太空垃圾更是無法控制又躲不開，而碳納米管纜索雖然有很好的抗拉強度，但抗剪切能力卻非常弱，一撞就斷；在近地軌道分布著大量原子氧，它們能快速地氧化纜索表面的碳并將其帶走，因此纜索的表面若未做足抗腐蝕工作，后果不堪設想……

此外，受到太陽和月球引力的影響，太空電梯很難做到穩定運行。潮汐引力會牽拉空間站、配重塊和纜索本身，使其發生伸縮搖擺，這也會縮短纜索的壽命。一旦纜索斷裂，其結果就是災難性的：配重塊在失去纜索的束縛后，會沿切線方向高速飛離地球；與此同時，位于3.6萬千米高的空間站會在下方纜索張力的牽拉下墜向地球，造成嚴重的災難。

不過，隨著現代科技的發展進步，建造太空電梯的難題早晚會被攻克。到那時，不僅每個人都能輕松步入太空，人類還會以此為基點，在月球、火星上建設開拓宇宙的基地，甚至直接在太空中建立巨大的太空城。借用電影《流浪地球2》里的一句話：相信我們的人，一定能完成任務。我們愿意相信，太空電梯在未來一定能幫助人類實現大規模進入太空的宏愿。