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作者：王詩雨（中國科學院物理研究所博士生）

電梯能替代火箭把人和物資送往太空嗎？這可不是電影《流浪地球2》獨有的“狂想”！早在一百多年前，提出火箭構想的科學家康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基，就幾乎同時提出了太空電梯的構想。可現在，火箭已很常用，太空電梯卻還停留在科幻中，它還能成真嗎？

從太空中“扔”下繩索

(相關資料圖)

女士們，先生們，太空電梯即將達到失重空間站，請做好準備，從右側梯門下梯。”如果有一天，人們聽見這樣的播報聲，會不會以為是在夢里？

20世紀初，被譽為俄羅斯“航天之父”的康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基可真有這樣的夢想。他知道，宇宙空間中反作用力是移動的唯一方法，為此，他提出過幾大構想來奔赴外太空。其中之一是用液體作為火箭燃料，將兩節以上的火箭串聯起來，組成一列多級火箭以提高火箭的速度。

這一設想，在一百多年后的今天，已經是航天領域的重要應用。有統計數據顯示，2022年全球火箭入軌發射共計186次。中國以64次發射列第二，占全球的34.4%。入軌發射最多的火箭是SpaceX的獵鷹系列，排列第二位的為中國長征系列。

火箭成真，可康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基在1895年提出的另一個設想，卻至今仍未實現。

這個設想，其實很樸素——在地面上建設一座高到超乎想象的鐵塔，一直建到地球同步軌道為止，在鐵塔內架設電梯，人們便可以搭著電梯進入外太空。

這就是太空電梯的雛形。

這樣的鐵塔結構，是不是似曾相識？沒錯，它就是康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基，參觀法國埃菲爾鐵塔時受到的啟發。這樣的構想，也與大家對電梯的認知最為接近，但是，有一個最大的問題——地球同步軌道高度為35786千米，而目前世界上最高的建筑，是位于迪拜的哈利法塔，高度只有828米。

差距太過懸殊，就像巨人和螞蟻。這樣一來，建一個太空電梯就像癡人說夢了！

還有沒有別的辦法？想一想，假如把一只風箏放到250米的高空，除了在地面上奔跑，不斷放長線繩，將風箏放飛到空中外，還能怎么做？能不能坐直升機到更高空，將風箏扔出，慢慢放線，讓風箏到達250米的空中？

雖然這是個很不嚴謹的類比，但它逆向思維，提供了一個思路。如果想要建造一座直達外太空的電梯，最重要的就是需要提供繩索軌道，既然從地面向上建造不現實，那能不能從太空中“扔”下繩索，就像扔風箏線一樣？

也就是說，可以先發射一顆地球同步衛星，然后從衛星上伸出繩索“垂”到地面上，在地面一端固定，形成太空電梯的運行軌道。

這就不用建塔了，只需“幾根繩索”就行了。

這樣一想，建造太空電梯，就顯得不那么鏡花水月，如今的太空電梯計劃，也都是基于這個模型。

尋找最強纜繩材料

在眾多太空電梯計劃中，最受人矚目的，是日本在2012年宣布的太空電梯計劃。

當時，尤其擅長建高塔的日本著名建筑公司大林組，宣布要投資100億美元建設太空電梯，預計電梯時速200公里，單程需要7天，計劃2025年左右在赤道附近的海上開工，2050年左右落成運營。

然而，距離計劃啟動已經過去了10年之久，前景似乎不容樂觀，就連大林組公司內部一直參與太空電梯研發的高級工程師石川洋二都坦言：這個項目越是嘗試，就越是困難。

首先，不考慮外部因素，太空電梯主要由四部分構成：

電梯的廂體、廂體上下運動所需的纜繩軌道、用于在地球端固定纜繩的海上基地，以及配重。

為什么還需要配重呢？

在太空電梯設想中，是要從同步衛星上“扔”下纜繩，一直“垂”到地球上。可隨著纜繩逐漸下放，其受到的萬有引力就會大于離心力，于是纜繩會對同步衛星產生向地球的拉力，這豈不是纜繩放著放著，就會把原本穩定的同步衛星拽下來？

為了解決這個問題，在向下放纜繩的同時，就必須向上“扔”東西，產生一個向外的拉力，以此抵消纜繩對衛星向地球的拉力。向上“扔”的東西必須足夠重，能夠穩住衛星，這就是配重。

但新問題又來了！

纜繩，實際并不是靜止的狀態，而是在隨著同步衛星一起高速轉動，所需的巨大向心力可能會超過材料的抗拉極限，導致纜繩自己把自己甩斷。

那么，太空電梯對材料抗拉能力的要求，到底有多苛刻？

在地心參考系中，將纜繩簡化成圓柱狀，密度是ρ，橫截面是S，一端固定于地球同步衛星，另一端固定于赤道海上基地。在同步衛星軌道附近的一小段纜繩，不考慮各種額外的載重，它受到的拉力可以這樣計算：

如果用鋼作為太空電梯的纜繩，代入鋼的密度值，可以估算得到鋼需要承受的最大應力至少要達到400?GPa。但實際上，鋼的抗拉強度只有400MPa，也就是說，是鋼能承受的最大應力的400倍。

那么，即便是用鋼來做纜繩，也會在強大的引力作用下拉伸變形。

這是異常棘手的問題——如何找到密度小，但抗拉強度大的材料？

目前，最有可能滿足上述要求的是碳納米管。這是由碳原子組成的管狀結構納米材料，是目前已知的理論上力學強度最高和韌性最好的材料。

碳納米管的密度大約是1700?kg/㎡，如果用碳納米管做太空電梯的纜繩，碳納米管的抗拉強度至少要達到90GPa。

目前，在實驗中能夠合成的碳納米管，其抗拉強度可以達到200?GPa，而具有理想結構的單壁碳納米管，其抗拉強度可以達到800GPa。

這樣看來，只要生產出幾萬公里長的碳納米管，把它從同步衛星上“懸掛”下來，固定到赤道附近的海上基站，問題不就迎刃而解了！

然而，探索太空電梯的道路，注定崎嶇不平。

1991年，日本科學家飯島澄男發現并命名了碳納米管，給陷入瓶頸的太空電梯設想注入了信心，許多研究團隊都重新拾起了太空電梯計劃。

可是，大家很快就發現，由于制備工藝的限制，實際能夠制備出的碳納米管長度只有幾毫米，且存在大量結構缺陷。

這似乎又走到了死胡同。

但科學家可不會輕易放棄。

2013年，清華大學魏飛教授團隊，將生長每毫米長度碳納米管的催化劑活性概率提高到99.5%以上后，成功制備出了單根長度超過半米，且具有完美結構的碳納米管。

目前，他們正在研制長度在千米級以上的碳納米管。

太空天梯，似乎迎來了一線曙光。

動力來源、躲避衛星，難題要逐一攻克

此前提出的這些模型，其實都是最簡單的物理模型，一旦要考慮項目建設的可行性，就必須要去面對和解決更多實際問題。

例如，碳納米管做的纜繩，時間久了會不會磨損？能用很長時間嗎？畢竟，如果纜繩很容易破損，那這電梯即便建好了，也不經用，實在不具備良好的性價比。

為了檢驗碳納米管的耐久性，日本大林組建筑公司于2015年，將碳納米管樣品送到了位于地表上空400公里附近的日本實驗艙內，放置在太空中兩年后，這一樣品又被帶回地球。研究人員分析發現，碳納米管的表面已經被原子狀態的氧破壞了。

要知道，400公里高度是大氣層中的熱層，空氣已經極其稀薄，即便是這樣，兩年的時間也已破壞了碳納米管。

那么，可以想象，在地表附近氧氣豐富的對流層，碳納米管纜繩會面臨著更加嚴峻的考驗——除了被原子狀態的氧破壞，它還需要面對風吹日曬雨淋，甚至可能碰上閃電、颶風等各種極端氣候。

提高纜繩耐久性，又是困難重重的研究。雖然探索的步伐不會停止，但誰也不能保證科研會一帆風順。

除了耐久性問題以外，還有一大堆難題，等待著科學家去解決。

例如，如何保證電梯廂體有足夠的動力支持，可以一直從地面升到太空站？如果升到一半，太空電梯的動力系統突然失靈怎么辦？那簡直就是高空求生驚悚片現場，想想就令人不寒而栗。

再例如，太空現在有點擁擠——不僅僅有許多衛星，還漂浮著很多衛星解體產生的太空碎片和隕石。如何讓太空電梯自動躲避太空碎片和一些可能撞上來的衛星？一旦躲避不及，這后果，也難以想象。

建造太空電梯，這真的是越嘗試，越困難。

既然如此困難，為什么科學家還一直執著于這幾乎不可能的設想呢？

最大的動力，就是要降低奔赴太空的成本。

目前的國際商業衛星發射中，每千克載荷的運輸成本在2000～2萬美元。普通人想要去太空旅行一趟，至少需要10萬美元。如果太空電梯可以建設成功，不考慮初期建設成本，根據日本大林組建筑公司的預估，每千克載荷的運輸成本約為200美元——也就是說，只需要花費7萬左右人民幣，就可以去太空旅行了。

建成太空電梯后，除能讓太空觀光變得觸手可及，還能夠低成本地在地球和太空間運輸物資。

這也許會成為人類太空探索史上，最動人心魄的轉折點。

仰望天空，想象一下。有生之年，我們也許將看到一座宏大的天梯，穿破云層，橫貫天地。

《光明日報》（ 2023年02月23日?16版）

來源：光明網-《光明日報》

作者：王詩雨

責任編輯：馮崢

標簽： 太空電梯 同步衛星 抗拉強度