你或許可以搭乘電梯去太空

張剛萍

“女士們，先生們，歡迎大家搭乘太空電梯。我們第一站將抵達(dá)月球平臺(tái)，整個(gè)行程需要5小時(shí)，請(qǐng)大家在享受整個(gè)旅程之前系好安全帶并坐好。大空電梯上升的過(guò)程中，大家可以欣賞玻璃窗外的景色，比如地球的球面變化以及天空將從深藍(lán)色變成黑色，這應(yīng)該是你看到的最為激動(dòng)人心的景觀之一……”這聽起來(lái)像科幻小說(shuō)里的一個(gè)章節(jié)，但它或許在將來(lái)的某天成為現(xiàn)實(shí)，因?yàn)楝F(xiàn)在科學(xué)家們正在考慮下一個(gè)遙遠(yuǎn)的太空運(yùn)輸系統(tǒng)——太空電梯。

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”往返天地之間。雅各布做夢(mèng)沿著登天的梯子取得了“圣火”。后人便把這夢(mèng)想中的梯子，稱之為雅各布天梯。

而太空電梯的概念最早在1895年提出。當(dāng)時(shí)，俄羅斯火箭專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)，這樣太空飛船就可以不通過(guò)火箭發(fā)射進(jìn)入軌道。不過(guò)，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“改行去寫科幻小說(shuō)”。

不過(guò)自從太空電梯的概念被提出后，確實(shí)也成為了科幻小說(shuō)中常見的創(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)想寫進(jìn)了他的科幻巨著《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)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。”

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。特別是隨著人類探索太空步伐的加快，科學(xué)家逐漸沉下心來(lái)思索，能否將太空電梯變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)？“我喜歡這個(gè)異想天開的創(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·方在接受采訪時(shí)說(shuō)：“我能理解人們?yōu)槭裁幢惶针娞莸母拍钗?，如果我們能以廉價(jià)和安全的方式進(jìn)入太空，整個(gè)太陽(yáng)系就會(huì)成為我們的嚢中之物。”

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)的研究熱情，成本方面是主因。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，足以為人類省下一大筆天文數(shù)字。

這主要是因?yàn)榛瘜W(xué)火箭的燃料占80%的空間，14%為主要結(jié)構(gòu)，只有6%可以載人，發(fā)射以及回收成本高昂。相比之下，太空電梯則擁有小體積、低耗能的優(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)的太空飛行成本能節(jié)省大約三分之一，大大提高人類造訪太空的頻率，此舉將開創(chuàng)人類探索太空的新紀(jì)元。為此，目前全球已有數(shù)個(gè)太空電梯項(xiàng)目在加快步伐執(zhí)行。

1991年，碳納米管被日本硏究員飯島意外發(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)所布拉德利·愛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。而且他指出，太空電梯的成本為70億?100億美元，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于大型的太空項(xiàng)目。

時(shí)光轉(zhuǎn)到21世紀(jì)，美國(guó)、日本等國(guó)越發(fā)重視對(duì)太空電梯的研發(fā)和建造。2005年3月23日，NASAIE式宣布太空電梯已成為世紀(jì)挑戰(zhàn)的首選項(xiàng)目。

2012年新加坡《聯(lián)合早報(bào)》曾報(bào)道：日本大林建設(shè)公司首次完整提出太空電梯計(jì)劃，并聲稱能在2025年開始建造太空電梯，預(yù)計(jì)在2050年完成一個(gè)太空電梯建造項(xiàng)目，其所設(shè)計(jì)的太空電梯纜線全長(zhǎng)為地球到月球距離的1/4，約有9.6萬(wàn)公里。

2015年8月，英國(guó)《每日郵報(bào)》

報(bào)道稱：加拿大的托特公司計(jì)劃建造一個(gè)高度約兩萬(wàn)米的太空電梯。該公司已獲得一項(xiàng)美國(guó)專利權(quán)用于建造獨(dú)立塔狀結(jié)構(gòu)，可從地球表面向空中延伸至萬(wàn)米，這個(gè)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。

找到制造材料是最大挑戰(zhàn)之一

根據(jù)科學(xué)家們的設(shè)想，太空電梯其主體由五部分構(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)公里的地球同步衛(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)公里，相當(dāng)于地球到月球距離的約四分之一。

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)固度和平衡重心都是兩大關(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)。

2014年，谷歌的快速評(píng)估研發(fā)團(tuán)隊(duì)也開始太空電梯的設(shè)計(jì)，但最終發(fā)現(xiàn)沒有人制造出超過(guò)一米的完美的碳納米管鏈。因此他們決定把這個(gè)項(xiàng)目“深度凍結(jié)”。

由此來(lái)看，建造太空電梯最大的挑戰(zhàn)之一，在于找到制造電梯纜繩的材料。一根普通的鋼絲從9公里的高空中垂下來(lái)會(huì)被自重所拉斷。好在碳納米管的發(fā)現(xiàn)，讓人們又重新燃起了希望。細(xì)小且強(qiáng)度可與金剛石媲美的碳納米管，居然柔韌性極佳，并且可制成纖維。據(jù)測(cè)算，一根寬1米、薄如紙的納米管纜帶，就能支撐13噸的重量。

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：他們研發(fā)出超細(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)最瘋狂的夢(mèng)想就是用于制造超級(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)。

當(dāng)前，太空電梯不再被認(rèn)為是一個(gè)“超前命題”，這個(gè)項(xiàng)目逐漸被美國(guó)NASA，歐洲航天局（ESA）等研究機(jī)構(gòu)所接受。而且隨著新材料科學(xué)的發(fā)展，太空電梯開始從幻想走進(jìn)現(xiàn)實(shí)，不再是那么遙不可及。

也許一旦太空電梯運(yùn)用后，太空旅行將成為我們?nèi)粘Ｉ畹囊徊糠?，就像石器的發(fā)展打開了人類祖先廣闊的新棲息地，并改變他們的生活方式，未來(lái)的太空電梯或許也將改寫人類的命運(yùn)。