搭乘電梯去太空

姜靖

太空電梯，100多年前就被提出

在《圣經(jīng)·創(chuàng)世紀(jì)》中有這樣一則故事——地面與天空用“天梯”連接，人可以通過(guò)“天梯”往返于天地之間。雅各布在夢(mèng)中沿著登天的梯子取得了“圣火”。后人便把這夢(mèng)想中的梯子，稱(chēng)為“雅各布天梯”。

太空電梯的概念最早在1895年提出。當(dāng)時(shí)，俄羅斯火箭專(zhuān)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(gè)“獨(dú)立的塔樓”，并通過(guò)一條纜繩和一個(gè)電梯艙，將“塔樓”與地面連接起來(lái)，這樣太空飛船可以不通過(guò)火箭發(fā)射就進(jìn)入軌道。不過(guò)這在當(dāng)時(shí)看起來(lái)簡(jiǎn)直是天方夜譚，甚至有人嘲諷他“不如改行去寫(xiě)科幻小說(shuō)”。

不過(guò)太空電梯的概念自從被提出后，確實(shí)也成了科幻小說(shuō)中常見(jiàn)的創(chuàng)作元素。1978年，被譽(yù)為現(xiàn)代科幻三巨頭之一的阿瑟·克拉克，就曾將這一設(shè)想寫(xiě)進(jìn)他的科幻巨著《天堂之泉》。這部小說(shuō)描繪了在一座熱帶島嶼上，人們可以通過(guò)搭乘落在赤道上的一座天梯前往太空觀光或運(yùn)送貨物。

2015年世界科幻小說(shuō)最高獎(jiǎng)“雨果獎(jiǎng)”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(shè)了一條初級(jí)導(dǎo)軌，與設(shè)計(jì)中的四條導(dǎo)軌相比，運(yùn)載能力小許多，但與化學(xué)火箭時(shí)代已不可同日而語(yǔ)。如果不考慮天梯的建造費(fèi)用，現(xiàn)在進(jìn)入太空的成本已經(jīng)大大低于民航飛機(jī)了?！?/p>

不光在文學(xué)界，在現(xiàn)實(shí)社會(huì)中，太空電梯也激發(fā)了科研人員的興趣。

“我喜歡這個(gè)異想天開(kāi)的創(chuàng)意，”倫敦大學(xué)學(xué)院高度、空間和極端環(huán)境醫(yī)學(xué)中心創(chuàng)始人凱文·方在接受BBC電視臺(tái)的新聞采訪時(shí)說(shuō)，“我能理解人們?yōu)槭裁幢惶针娞莸母拍钗绻覀兡芤粤畠r(jià)和安全的方式進(jìn)入太空，整個(gè)太陽(yáng)系就會(huì)成為我們的囊中之物?！?/p>

預(yù)計(jì)耗資近百億美元，值得嗎

太空電梯之所以能點(diǎn)燃各國(guó)科學(xué)家的研究熱情，低成本是主要原因。據(jù)國(guó)際宇航科學(xué)院（IAA）報(bào)告統(tǒng)計(jì)，一旦太空電梯建立，攜帶負(fù)載進(jìn)入太空的成本可由每千克2萬(wàn)美元下降至500美元，可以為人類(lèi)省下一大筆費(fèi)用。

這主要是因?yàn)榛瘜W(xué)燃料占火箭80%的空間，14%為火箭的主要結(jié)構(gòu)，只有6%的空間可以載人，發(fā)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(yōu)點(diǎn)。

而且加拿大托特技術(shù)公司也估算過(guò)，太空電梯應(yīng)用后，航天飛機(jī)太空飛行的成本能節(jié)省大約1/3，會(huì)大大提高人類(lèi)造訪太空的頻率，此舉將開(kāi)創(chuàng)人類(lèi)探索太空的新紀(jì)元。為此，目前全球已有數(shù)個(gè)太空電梯項(xiàng)目在加快執(zhí)行步伐。

1991年，碳納米管被日本研究員飯島意外發(fā)現(xiàn)，這種新型材料具有拉伸強(qiáng)度高、抗形變力強(qiáng)等極佳的力學(xué)性能，被科學(xué)家認(rèn)為是制作太空電梯的最理想材料。

8年后，受美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）資助，洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)所的布拉德利·愛(ài)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(fā)布了用碳納米管材料制作太空電梯的可行性報(bào)告。他還指出，太空電梯的成本為70億至100億美元，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他大型太空項(xiàng)目的投資。

找到制造材料是最大挑戰(zhàn)之一

根據(jù)科學(xué)家的設(shè)想，太空電梯的主體由5部分構(gòu)成：地面基座、纜繩、電梯艙、太空站和重量平衡器。

其運(yùn)作模式大致如下：從距離地面3.6萬(wàn)千米的地球同步衛(wèi)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(lái)運(yùn)輸人和物；此外，為保持平衡，在太空站遠(yuǎn)離地球的另一側(cè)，也要架設(shè)數(shù)萬(wàn)公里的纜繩索道，并在纜繩末端連接一個(gè)重量平衡器。整條纜繩全長(zhǎng)約為10萬(wàn)千米，大致相當(dāng)于地球到月球距離的1/4。

那么在現(xiàn)實(shí)中要建造太空電梯，挑戰(zhàn)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(shí)，堅(jiān)固度和平衡重心是兩大關(guān)鍵。不過(guò)直到現(xiàn)在，可用于制造太空電梯所需繩索的材料仍屈指可數(shù)。

一根普通的鋼絲從9千米的高空中垂下來(lái)就會(huì)被自重所拉斷。好在碳納米管的發(fā)現(xiàn)，讓人們重新燃起了希望。2014年9月，美國(guó)科學(xué)家、賓夕法尼亞州立大學(xué)的化學(xué)教授約翰·巴丁在《自然材料》上發(fā)表文章，稱(chēng)他們研發(fā)出了超細(xì)、超堅(jiān)固的納米線，比之前發(fā)現(xiàn)的碳納米管更堅(jiān)固和牢靠。“我們的納米線就像是一個(gè)由尺寸最小的鉆石串成的微型項(xiàng)鏈，其中一個(gè)最瘋狂的想法就是用于制造超級(jí)堅(jiān)固的輕型繩索，讓打造太空電梯的夢(mèng)想成為現(xiàn)實(shí)?！卑投≌f(shuō)。

目前，太空電梯不再被當(dāng)作一個(gè)“超前命題”，這個(gè)項(xiàng)目逐漸被美國(guó)航空航天局、歐洲航天局等研究機(jī)構(gòu)所接受。隨著新材料科學(xué)的發(fā)展，太空電梯開(kāi)始從幻想走進(jìn)現(xiàn)實(shí)，不再是那么遙不可及。