迷你太空電梯來了！

◎文 馬克·普里格

眾所周知，人類目前的航天發(fā)射技術(shù)效率還很低下?；鸺靸r高昂，想要獲得逃逸速度，就需要消耗大量的化學(xué)燃料。雖然目前已有致力于火箭可回收技術(shù)和可重復(fù)利用航天器的研發(fā)，但并不能從根本上解決問題。因此，有人想出了一個理論上可行的解決方案：建造太空電梯！

太空電梯如何測試

太空電梯以人類目前的技術(shù)水平來看，無疑是一項超級工程。但很多科學(xué)家和公司已經(jīng)為此付出了努力。最近，日本靜岡大學(xué)工程系的工程師們就制造了一臺迷你的太空電梯，并于9月11日將其送往國際空間站進(jìn)行測試。此次試驗，將是人類首次在太空中兩顆衛(wèi)星之間進(jìn)行物體轉(zhuǎn)運測試。

太空電梯的原理其實十分簡單。人們只需在地球同步軌道上建造一個空間站，并用某種有一定柔韌性的結(jié)構(gòu)將其與地面相連?？臻g站的另一端需要有配重，以保證纜繩不會因地球的自轉(zhuǎn)發(fā)生偏移。宇航員和乘客可以搭乘電梯轎廂在天地之間來往，而無需火箭的助力。

迷你太空電梯（轎廂）實際上就是一個長6厘米、寬3厘米、高3厘米的小盒子。在這次試驗中還有兩個微型立方體衛(wèi)星，每個衛(wèi)星的長度只有10厘米，彼此間被一條10米長的繩索連接在一起。測試中，迷你太空電梯（轎廂）將在馬達(dá)的驅(qū)動下，沿著這條繩索移動。整個測試過程會被安裝在兩個衛(wèi)星上的攝像機記錄下來。如果一切順利，科學(xué)家能夠驗證太空電梯的可行性。

據(jù)大林組公司介紹，太空電梯建造好后將于2050年把游客送入太空

真正的太空電梯如何建造

太空電梯的終極目標(biāo)是向太空運送人員和貨物。很久以前，科學(xué)家便開始做太空電梯夢。1895年，俄羅斯科學(xué)家康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基見到埃菲爾鐵塔后，便提出了太空電梯的設(shè)想。一個世紀(jì)后，科幻巨匠阿瑟·克拉克在一部小說中再度描繪太空電梯。但由于技術(shù)上的重重障礙，這一設(shè)想始終停留在概念階段。

日本大林組建筑公司與靜岡大學(xué)合作正在策劃這一項目，積極探索建造太空電梯的方式，希望能夠在2050年將游客送入太空。根據(jù)他們的計劃，太空電梯的纜繩將是一條長9.6萬千米的碳納米管（其強度是鋼材的20倍），能夠承受約100噸的上行物體。它還將包括一個直徑約400米，漂浮在海面上的地面入口，以及1.25萬噸的配重。

太空電梯概念圖

大林組公司希望借助太空電梯，將人員和貨物送入一座新空間站。這座空間站可以充當(dāng)一個港口，宇航員從這個港口啟程，奔赴火星或者更遠(yuǎn)的星球。2014年，大林組公司第一次公布這項計劃，稱建造太空電梯在技術(shù)上具有可行性。

根據(jù)他們的計算，需要20年時間制造一端固定在地表的纜繩，纜繩的地面端始終施加預(yù)應(yīng)力。按照計劃，他們首先要部署20噸纜繩，在隨后的18年要加建510次，最終重量將達(dá)到7000噸。相關(guān)設(shè)施隨后運輸，預(yù)計在一年內(nèi)建成太空電梯。

項目負(fù)責(zé)人稱他們的太空電梯一次最多可搭載30名乘客，以每小時200千米的速度行駛一周，而后在距地面3.6萬千米的站點?？?。游客在這里下電梯，體驗太空游，研究人員和專家將繼續(xù)前行。

太空電梯能夠?qū)⑷藛T和貨物快速運到地球大氣層之外

太空電梯的海上平臺

建造太空電梯的技術(shù)難題

如果這次試驗獲得成功，將為建造真實的太空電梯奠定基礎(chǔ)。當(dāng)然，在此過程中，人們還會遇到許多重大挑戰(zhàn)。首先是來自纜繩材料的挑戰(zhàn)。太空電梯的纜繩首先必須十分輕，其次必須有極強的柔韌性，能夠承受作用在配重上的離心力。

纜繩還必須能夠承受住地球、太陽和月球引力的多重作用，以及地球大氣產(chǎn)生的作用。這些挑戰(zhàn)在20世紀(jì)一直被認(rèn)為是不可戰(zhàn)勝的。但到了21世紀(jì)，由于碳納米管等新材料的出現(xiàn)，太空電梯的概念才開始有變?yōu)楝F(xiàn)實的可能。

目前要在地面和地球同步軌道之間建造納米管纜繩仍然超出了當(dāng)前人類的技術(shù)能力。一些工程技術(shù)專家也表示，碳納米管還不足以承受這一級別的力。因此，工程師們開始探尋更新的材料，比如鉆石納米纖維。當(dāng)然，生產(chǎn)這種材料依然超出人類當(dāng)前的能力。

與此同時，還存在許多其他挑戰(zhàn)。比如如何避免太空垃圾和隕石的撞擊，如何將電力從地面?zhèn)鬏斨量臻g，以及如何讓纜繩經(jīng)受住高能宇宙射線的轟擊。但是太空電梯一旦建成，回報也是巨大的。

太空電梯建成后有哪些回報

使用不可回收式火箭將貨物發(fā)射到地球同步軌道的成本在2000年大約是每千克25000美元。而據(jù)估計，使用太空電梯運送貨物到地球同步軌道每千克只需220美元。

太空電梯還能用以布置下一代人造衛(wèi)星，比如天基太陽能電站。地基太陽能電站受制于晝夜的交替和天氣，天基太陽能電站則能夠一年365天、一周7天、一天24小時發(fā)電。其所發(fā)的電，可以通過微波發(fā)射器，由衛(wèi)星傳回地面。

未來的飛船也可以采用在軌的方式進(jìn)行組裝，這也能大大削減成本。現(xiàn)在航天器大多需要在地面完成全部組裝，并用火箭進(jìn)行發(fā)射；最多也只能在太空中進(jìn)行大組件的拼裝。這是一種昂貴的方式，需要大運力的運載工具和消耗大量燃料。而一旦有了太空電梯，飛船組件用極低成本就能被送入軌道。甚至于可以在軌道上建造自動化工廠，在太空中就地制造組件。

建造太空電梯耗資巨大，且需要國際合作和多代人的努力。但它一旦建成，就能在可預(yù)見的未來，讓人類獲得幾乎不受限的，且成本極低的進(jìn)入太空的能力。