通往太空城的“天梯”

張唯誠

科學(xué)家們一直向往一種不用火箭就能把人送入太空的技術(shù)，人們最初設(shè)想的是一座可以連接地球和太空的高塔，后來變成一根能進入軌道的纜繩，但前提是人類必須找到足夠堅固的材料。那么，人類離這個目標還有多遠？以今天科技發(fā)展的水平看，它能夠變成現(xiàn)實嗎？

首先要說的是，“太空電梯”在理論上是符合科學(xué)法則的。1978年，在小說《天堂之泉》中，英國科幻作家阿瑟·C·克拉克描寫了幾位工程師在一座小島上試圖建造一座通天的索道的故事。他們歷經(jīng)艱辛，終于建成，最后讓人們通過電梯成功移民到了其他星球。“如果天體物理學(xué)的法則允許一個物體懸停在半空，我們?yōu)槭裁床荒軓目罩写瓜乱桓K索并用一個電梯系統(tǒng)將地球和太空連接起來呢？”克拉克的這段話在一定程度上道出了這種技術(shù)的可行性。

“通天”巨塔

19世紀末，俄羅斯科學(xué)家齊奧爾科夫斯基受巴黎埃菲爾鐵塔的啟發(fā)，構(gòu)想了一座通天的高塔。它從地面一直往上建，直到地球靜止軌道3.6萬千米的高度。齊奧爾科夫斯基意識到，在那樣的高度，只需將飛船輕輕地釋放出去，它就可以像被投出去的鏈球一樣擺脫地球引力，從而進入太空軌道。

然而，建造可以抵達太空的塔是不可能的。任何一個搭過積木塔的人都知道，塔高一旦抵達了某一點，積木塔的結(jié)構(gòu)就將因承受不住自身的重量，或者無法維持自身穩(wěn)固而垮塌。

于是，人們想到了一個更好的策略：建立一座隨著高度增長而逐漸變窄的塔。但即使如此，問題也同樣存在。歐洲航天局的物理學(xué)家馬庫斯·蘭德格拉夫解釋道，一座能夠到達太空的塔太重了。地殼的平均厚度只有30千米，它下面的地幔又是軟的，要支撐如此沉重的塔，地殼就顯得太薄了。換句話說，塔對地球表面的壓力是地表難以承受的。

垂直的“鐵路”

因此，物理學(xué)家想到了另一種和塔的概念完全不同的辦法——在地球軌道上懸掛一根纜繩或者緞帶，并將纜繩的一端垂向地表，人們可借助工具沿著它升上太空。

在太空中使用纜繩并非只是一個想法。1992年，“亞特蘭蒂斯號”航天飛機成功發(fā)射了一個系留衛(wèi)星系統(tǒng)，人們要用一條長達20千米的纜繩連接衛(wèi)星，但纜繩在施放時遇到了麻煩，最后僅施放了256米。國際太空電梯聯(lián)盟負責(zé)人彼得·斯旺解釋道：“纜繩或者緞帶懸在地球上的方式，就像你把一塊石頭拴在一根繩子的末端，然后把它扔在你的頭頂上一樣。這是一種巨大的力量——離心力，它會把石頭向外拉?！闭绫说谩に雇?，就像石頭拴在繩子的末端一樣，一個平衡物處于遠離地球的另一端能幫助電梯保持穩(wěn)定，但是否需要這一物體取決于繩子的重量和長度。

因為這種電梯可以把人和設(shè)備很方便地送入太空，所以斯旺和該組織的成員正在努力地使太空電梯成為現(xiàn)實。據(jù)估計，今天把重達1磅的物質(zhì)送到月球要花費大約1萬美元，但有了太空電梯，這個費用就有可能降至接近100美元。

按照這個設(shè)想，太空探索者只須搭乘一種名為“攀登者”的交通工具即可離開地球。這種交通工具安裝在緞帶上，一對輪子或者帶有皮帶的裝置夾住緞帶的兩面，就像跑步機一樣能上下移動，把人或貨物拉上拉下。美國華盛頓州西雅圖的物理學(xué)家布拉德利·愛德華茲分別在2000年和2003年為美國宇航局撰寫了關(guān)于開發(fā)太空電梯可行性的報告。他認為這種裝置“在本質(zhì)上就是一條垂直的鐵路”。

“垂直鐵路”的太空之旅

愛德華茲認為，走進電梯中的太空探索者，幾乎感覺不到太空電梯在移動……它和普通的電梯沒什么兩樣。進去后，乘客會看到錨站，緞帶在那里固定在地球上。隨著電梯的上升，錨站逐漸遠去，直至消失。電梯的起步通常很慢，但它會逐漸快起來，時速可以達到160～320千米。視野也同樣會發(fā)生變化，從云層和閃電過渡到地球表面，再經(jīng)過國際空間站，最后到達地球同步軌道。

但一切并不會就此停住，電梯的末端是可以“彈射”的，可以用它把自己彈射到另一個星球，這就像用繩子甩出石頭一樣，如果松開繩子，石頭就會飛出去。同理，太空電梯也是這樣。在這種情況下，太空探索者的目的地可以是月球，也可以是火星，甚至是木星。

材料科學(xué)的突破

建造太空電梯最大的挑戰(zhàn)可能是用什么作為10萬千米長緞帶的材料，它必須非常結(jié)實才能承受得住強大的重力和離心力。鋼鐵已無能為力了。于是，科學(xué)家們將目光投向了碳納米管。美國阿拉巴馬州奧本大學(xué)的化學(xué)工程師弗吉尼亞·戴維斯說：“碳納米管是現(xiàn)今我們已知的最結(jié)實的材料之一?！边@位科學(xué)家的研究重點是碳納米管和石墨烯。石墨烯是另一種碳材料，和碳納米管一樣，都是納米級材料，其薄片的厚度可達人類頭發(fā)直徑的千分之一。

碳納米管的結(jié)構(gòu)類似于一個卷成管狀的鏈式圍欄，由于其組成不是金屬絲，而是碳原子，所以碳納米管和石墨烯比大多數(shù)其他材料都結(jié)實得多，而且非常輕。戴維斯已經(jīng)可以用碳納米管制造纖維、纜繩和緞帶了。但迄今為止，還沒有人能夠用碳納米管或石墨烯制造出長達數(shù)萬千米的材料。

愛德華茲估計，通往太空的緞帶強度需達到63吉帕。這個數(shù)字非常驚人，比鋼鐵的強度高出了數(shù)千倍，比一些已知的最堅硬的材料，如用于防彈背心的凱夫拉纖維還高幾十倍。雖然從理論上說，碳納米管可以達到的強度遠遠超過63吉帕，但現(xiàn)實是直到2018年，研究人員才制造出一束超過63吉帕的碳納米管。

離目標越來越近

然而，一條緞帶的強度不僅取決于材料本身，還取決于它的組成方式。戴維斯說，碳納米管亦有缺陷，其中缺失的原子不僅影響它的整體強度，還會影響緞帶中使用的其他材料。

另外，即便材料問題解決了，電梯還得承受從雷擊到太空垃圾碰撞等的各種威脅。這表明，太空電梯要變成現(xiàn)實還有很多問題需要解決。但在今天，由于材料科學(xué)和其他相關(guān)技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們離實現(xiàn)這個目標已越來越近。

“毫無疑問，實現(xiàn)它還有很長的路要走，”戴維斯說，“但很多過去我們認為是科幻的東西，今天都實現(xiàn)了。其實所謂科幻，往往就是一種想法開始變成現(xiàn)實的那個起點?！?/p>