太空天梯

崔金泰

“太空天梯”這種東西，大家一定在科幻作品中見過。這種連接地球與太空的軌道，仿佛離生活非常遙遠，就像是一種荒謬的存在。但科學(xué)家們卻表示：太空天梯真的可能實現(xiàn)，它是人類新的太空夢。

20世紀90年代，人類發(fā)明了碳納米管，這是一種輕巧、剛硬、堅韌的材料，被科學(xué)界視為“太空天梯”中軌道電纜的最理想材料。隨著碳納米管技術(shù)的發(fā)展，人類的登梯游太空夢將一步步照進現(xiàn)實。

登天“鑰匙”出現(xiàn)

1979年，英國著名科幻大師阿瑟·克拉克在小說《天堂之泉》中，首次提出了“太空天梯”的概念，它大膽又充滿想象力。

隨著人類探索太空步伐的加快，科學(xué)家們開始認真考慮，能否研制出天梯，實現(xiàn)太空與地球間物資更便捷地交換？

1991年，日本科學(xué)家飯島意外發(fā)現(xiàn)了碳納米管，其力學(xué)性能極佳，有著極高的拉伸強度、極強的抗形變力和斷裂伸長率。它輕巧、堅韌又剛硬。科學(xué)家們表示，碳納米管便是制作天梯的最理想材料。

1999年美國航空航天局資助了布拉德利·愛德華茲博士所在的洛斯阿拉莫斯國家實驗所，要求他制訂出使用新型碳材料制造太空天梯的方案。他為此進行了研究，并發(fā)布了用碳納米管材料制作太空天梯的可行性報告。

布拉德·愛德華茲博士指出“太空天梯”的成本為70～100億美元，這遠遠低于大型的太空項目。英國一項測算也顯示，太空天梯的運送成本僅占常用航天器的0.25%。而且它一旦建成，將大大提高人類造訪太空的頻率，也將開啟人類探索太空的新紀元。2005年3月23日，美國航空航天局正式宣布太空天梯已成為世紀挑戰(zhàn)的首選項目。

碳納米管：一種由碳元素構(gòu)成的中空管狀納米級超細纖維。它重量輕，具有完美連接的六邊形結(jié)構(gòu)，還有許多超常的力學(xué)、電學(xué)和化學(xué)性能。如其在單位質(zhì)量上的拉伸強度是鋼鐵的276倍，遠超其他材料。

“太空天梯”計劃書

21世紀初，愛德華茲經(jīng)過幾年的研究后，給美國航空航天局擬訂了一份關(guān)于太空天梯的詳細計劃。他在計劃書中建議將兩根5至10英寸寬的碳納米管纜繩運到赤道上空約35000千米的地球同步軌道，系在地球同步衛(wèi)星上，然后讓兩根纜繩的另一端飄回地面，與太平洋中一個類似石油鉆探平臺的設(shè)施相連。

接著，將系在衛(wèi)星上的纜繩向地球外上升到約69.9萬千米的太空，兩根纜繩的中心點應(yīng)一直保持在地球同步軌道上。然后，讓裝有接觸踏板的“車廂”在激光能源的推動下，從地球表面沿纜繩向上攀爬，從而像拉鏈一樣將兩根纜繩黏合到一起。

隨后，另外229個這樣的“車廂”將更多的碳納米纖維結(jié)合到一起，形成一根寬約1米的纜繩。這樣，太空天梯便建成了。

使用太空天梯時，一列載重13噸的“車廂”將貨物或人員以每小時201千米的速度沿太空天梯上升。經(jīng)過7天后，“車廂”抵達地球同步軌道。開始時，可把第一批抵達太空的貨物和人員停放在儲存軌道上，隨著越來越多的太空天梯得以建成，運營成本將進一步降低，而且貨物和人員可以實現(xiàn)上下循環(huán)，來往自如。

在幾列太空天梯開始滿負荷運行后，人類便可以利用這種廉價而便利的交通工具開發(fā)更大規(guī)模的零重力制造業(yè)、太空旅游業(yè)，更好地對地球環(huán)境進行監(jiān)測，清除地球軌道上的人造太空垃圾，在小行星上采礦，以及做各種各樣的其他的工作。

愛德華茲的太空天梯計劃，不僅開創(chuàng)了太空天梯建造的新時代，而且正如他在2002年出版的《太空梯：一種革命性的地球·太空交通系統(tǒng)》一書中所說的：“太空梯可以使人類歷史實現(xiàn)跳躍性的發(fā)展?！?/p>

奇跡將在15年內(nèi)出現(xiàn)

愛德華茲曾在2004年大膽預(yù)言：15年之內(nèi)，也就是2019年之前，科學(xué)家們將在距離厄瓜多爾海岸1931千米的海面上建立一個平臺，一根約1米寬、厚度比紙還薄的碳納米管纜繩的一端與該平臺相連，另一端伸向約10萬千米之遙的太空，在地球旋轉(zhuǎn)的向心力作用下，纜繩將會被拉得很緊。

貨物或人員可以沿著纜繩爬行到任意高度：在低空，人類可以進行太空旅游；在中空，通信衛(wèi)星將進入地球同步軌道；進入高空后，可利用地球的旋轉(zhuǎn)將飛船送上月球、火星，甚至更遠的地方。

一旦這種太空天梯建成后，通常利用耗資巨大的火箭將人員或貨物送入太空的方法將會被太空天梯取代。尤其讓愛德華茲感到滿意的是，太空天梯將大幅度降低運載成本，每磅（約0.45千克）載重將只耗費100美元。相比而言，目前使用航天飛機的運載成本是每磅1萬美元。而且，太空天梯本身的建造成本僅需60億美元。

對于太空天梯的大膽設(shè)想，一些科幻小說家和工程師早已談?wù)摿撕芏嗄?，但由美國航空航天局資助的這項設(shè)想?yún)s具有極大的可行性，這令航天界人士大為震驚。美國航空航天局的戴維·史密瑟曼說：“這是迄今為止我見到過的最大膽而又最詳細的設(shè)想?！泵绹教旖绲呐撂乩锵摹だ麪杽t說：“愛德華茲把一切都考慮周到了，從而引起了人們廣泛的興趣和期待。他使太空天梯顯得真實可行?！?/p>

雖然如今看來，愛德華茲的這一預(yù)言可能要破滅了，但他勾畫出來的太空天梯場景及其可行性，還是非常有前景的。一旦碳納米管纜繩被科研攻關(guān)拿下了，人類建造太空天梯的“曙光”就降臨了。

地球同步軌道：傾角為零的圓形地球同步軌道稱為地球靜止軌道，因為在這樣的軌道上運行的衛(wèi)星將始終位于赤道某地的上空，相對于地球表面是靜止的。這種軌道衛(wèi)星的地面高度約為 3.6萬千米，它的覆蓋范圍很廣。

更長的碳納米管

人類要完成“太空天梯”這一壯舉的核心技術(shù)，就是碳納米管技術(shù)。因為人類要用碳納米管材料，做出足夠長、足夠輕、足夠剛硬、足夠柔韌的“纜繩”。其實科學(xué)家們，一直走在科研攻關(guān)的路上。

例如，2013年我國清華大學(xué)的魏飛教授帶領(lǐng)的團隊，制備出了世界上最長的碳納米管，其單根長度可達半米以上，這是目前一維納米材料長度的最高值。魏教授表示：他們團隊的目標是制備出千米級以上長度的碳納米管，為“太空天梯”的制造開啟一線曙光。

碳納米管有很多應(yīng)用，最重要的一個方面就是制造出“又輕又韌又強又便宜”的材料。它剛被發(fā)現(xiàn)時就因超高的彈性模量、機械強度高、質(zhì)量超輕而備受科學(xué)界關(guān)注，而碳又是一種便宜的元素。因此，很多團隊參與此項研究，希望做出“又輕又韌又強又便宜”的超級纖維。

遙望未來的航天事業(yè)，一種高質(zhì)量的碳納米管的出現(xiàn)，將幫助人類達成建造“天梯”的夢想，能夠更快速、更省成本地發(fā)射航天器。

啟動“天梯”項目

2012年，由美國航空航天局前工程師邁克爾·萊恩創(chuàng)辦的電梯港公司宣稱：該公司可用現(xiàn)有技術(shù)在月球上建造一座太空電梯，并表示這一想法能在8年內(nèi)成為現(xiàn)實。

據(jù)報道稱，該公司研發(fā)的“太空電梯”系統(tǒng)，首先會用纜繩測試，隨后再推出月球系統(tǒng)。該公司的研究人員希望，最終他們能夠使用“太空電梯”將空間站與月球連接起來。該公司還在網(wǎng)上發(fā)起一項集資活動，希望為月球“太空電梯”籌得第一筆資金。

此外，2012年，日本的大林組也首次完整提出“天梯”計劃。為此，他們邀請所有日本的大學(xué)參與進來，共同研究“天梯”所需要的技術(shù)。大林組自信能在2025年開始建造太空電梯，預(yù)計在2050年完成一個“天梯”建造項目，電梯的總建造高度將達到9.6萬千米。

2015年8月加拿大的托特公司表示，他們計劃建造一個太空電梯，高度約兩萬米。該公司已獲得一項美國專利權(quán)用于建造獨立塔狀結(jié)構(gòu)，可從地球表面向空中延伸至萬米，這個太空塔的高度是世界上最高建筑物（迪拜的哈利法塔）的20倍。他們同時表示，未來太空電梯將作為其太空旅游業(yè)的一個重要部分。

上述的這些“天梯”項目，不論未來是否能夠成功，但都表明在21世紀人類就希望建造出“太空天梯”的迫切愿望與信心?！疤仗焯荨币呀?jīng)從科幻電影，慢慢一步步走入現(xiàn)實世界，真是觸手可及了。

科研的“攔路虎”

太空天梯為人們提供了一種到達太空更為經(jīng)濟和便利的途徑，就像坐著快速電梯上高樓一樣。它將使傳統(tǒng)的運載火箭面臨“下崗”的威脅。然而，美夢成真并不是輕而易舉就能實現(xiàn)的。

天梯所用的材料要求非常嚴格和苛刻，以至于通常所用的材料都難以承擔(dān)和勝任。這項技術(shù)的最大障礙在于纜索材料。目前最有希望的是碳納米管，因為厚度僅為頭發(fā)絲1‰的納米管可承受比自身質(zhì)量大5萬倍的重物，但超長碳納米管的研發(fā)仍有一段路要走。

如果要造“太空天梯”的纜索，就像要鋼纜一樣將無數(shù)根碳納米管擰成一根緊密的“繩”。首先做天梯的碳納米管需要足夠長，而碳納米管要想長很長，其生長的催化劑活性需特別高，且能堅持很久。目前人類研發(fā)的最長的單維碳納米管僅半米以上，因此科研方面仍需努力。

此外，一旦有了足夠長的碳納米管，要把它們做成高質(zhì)量的纖維，還需要紡織技術(shù)的配合。試想一下，站在直徑一米的“地球”外面，想要將幾千億根長長的碳納米管紡成一根結(jié)實的“線”，傳統(tǒng)的紡織技術(shù)肯定不行。現(xiàn)有的做法有聚合物熔融、氣相沉積、靜電紡織等，但這些方法都還需要改進，不過人類總算有紡織它的方法了。

“太空天梯”因應(yīng)用成本更低，所有的太空機構(gòu)都很喜歡這一構(gòu)想。目前超級納米纖維的研制已吸引了數(shù)十億美元的科研經(jīng)費。

科學(xué)家預(yù)測在2020年左右，人類可以通過此技術(shù)研發(fā)出最適合的“太空天梯”材料。許多科學(xué)家的態(tài)度更樂觀，認為人類在最近的50～100年內(nèi)，就能夠建造出“太空天梯”改變世界。