乘“電梯”去太空的夢想能成真嗎？

龐之浩

要問如今哪部佳作最能代表中國目前電影工業(yè)最高水準(zhǔn)，毫無疑問是《流浪地球》。它給全國觀眾帶來了驚喜，所有后期特效均為我國自己的團(tuán)隊完成，卻讓不少觀眾在電影開場30分鐘后都產(chǎn)生在看“好萊塢頂級大片”的錯覺。

片中那段展現(xiàn)太空電梯的長鏡頭，更讓全世界影迷都震撼不已。雖說《流浪地球》是一部科幻小說，但太空電梯實(shí)際上并非作者的虛構(gòu)之物，而是一項(xiàng)已經(jīng)被人類研究了幾十年的高精尖技術(shù)。未來的某一天，坐著“天梯”去遙遠(yuǎn)的太空，并非白日做夢。

什么是太空電梯？

顧名思義，太空電梯，就是連接地面和太空的一座很高的電梯。

太空電梯的概念最早是由俄國科學(xué)家、航天之父齊奧爾科夫斯基在1895年提出。1979年，著名科幻大師亞瑟·克拉克在其小說《天堂噴泉》中再次提出太空電梯的概念，并引起廣泛注意，因?yàn)樗哂欣碚摶A(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。

2021年11月，國際太空電梯聯(lián)盟主席斯旺對外宣稱，未來，太空電梯將作為永久性物流基礎(chǔ)設(shè)施，可把物資和人員運(yùn)到太空，從而成為進(jìn)入太空的新通道。現(xiàn)已有不少科學(xué)家認(rèn)為，就在本世紀(jì)內(nèi)，太空電梯的夢想將成真。

有的朋友肯定要問了，為何人類已經(jīng)掌握了火箭技術(shù)，卻還要捉摸著造太空電梯？

原來，運(yùn)載火箭的原理是通過消耗大量燃料來擺脫地球引力，所攜帶的燃料占火箭總重量的90%以上，因此每運(yùn)送1千克有效載荷上天，平均需耗資至少1萬美元。

而太空電梯則不需要耗費(fèi)大量燃料，它可以像高速公路一樣24小時不停運(yùn)轉(zhuǎn)，將航天器、各類物資、人員帶到太空中。據(jù)權(quán)威論證，太空電梯運(yùn)輸物資的成本每千克僅為500美元，相比運(yùn)載火箭的至少10000美元，低了兩個數(shù)量級！因此雖然建造太空電梯的費(fèi)用也很昂貴，但建成運(yùn)行之后可謂一本萬利！

建造原理并不復(fù)雜

其實(shí)，太空電梯的原理并不復(fù)雜，說到底就是將一條長長的纜繩一端固定在地球表面，另一端緊緊抓住位于距地面約3.6萬千米的地球靜止軌道上的平衡物（如大型空間站）。在引力和離心加速度的相互作用下，纜繩將會繃緊，一個形似電梯的吊箱便可利用太陽能或激光能轉(zhuǎn)變成的電能，載著貨物、人員沿纜繩在太空和地面之間自由上下往返。

具體來說，太空電梯主要由4個部件組成：基座、纜繩、電梯吊箱和動力系統(tǒng)。

基座是太空電梯在地面上的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，必須建在地球赤道地區(qū)，既可以建在陸地上，如高山頂或高塔尖上；也能建在海上，像一個巨大的港口，要位于一個暴風(fēng)雨、閃電和巨浪較少的海域，還要遠(yuǎn)離飛機(jī)航線和衛(wèi)星軌道，尤其是要防雷擊。

纜繩是太空電梯的關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備，制造纜繩的材料必須有很高的拉伸強(qiáng)度，可大規(guī)模生產(chǎn)，還要造價低廉、質(zhì)量很輕。在建造太空電梯時，地面將發(fā)射卷有纜繩的航天器到太空，讓纜繩的一端借助重物墜回地球，與地面上的基座平臺相連接；另一端連接位于地球靜止軌道的航天器。當(dāng)?shù)厍蜃赞D(zhuǎn)時，太空電梯的纜繩會產(chǎn)生向上的離心力，而地球的重力又將其往下拉，這樣纜繩就能實(shí)現(xiàn)平衡。

電梯吊箱是載人和運(yùn)貨的部件，其功能跟傳統(tǒng)電梯一樣，但原理和結(jié)構(gòu)不同。電梯吊箱雖然也是沿著纜繩向上爬，但從天上垂下一根超長的纜繩來將它吊上去是不太可能的，它得自己想辦法爬上去。最簡單的方法是給電梯吊箱裝上馬達(dá)，帶動安裝在吊箱上的一組輪子轉(zhuǎn)動，輪子緊緊卡住纜繩上的履帶軌道，吊箱便能沿著纜繩向上滑行。

作為動力系統(tǒng)的馬達(dá)，其電源可以來自纜繩，也可以來自裝在電梯吊箱上的發(fā)電機(jī)，但這兩種方式都會增加電梯吊箱的重量。減輕重量的方法是在電梯吊箱上安裝光電轉(zhuǎn)換裝置，然后從地面發(fā)射激光到光電轉(zhuǎn)換裝置上，最后用電將其“射”上去。

最大技術(shù)瓶頸——纜繩

目前，太空電梯走向太空的最大障礙還是纜繩的建造。

例如，若是用比較結(jié)實(shí)的鋼纜當(dāng)纜繩，則纜繩不能太長，否則會因纜繩自身重量太重而掉下來；且鋼纜難以經(jīng)受巨大的拉力，容易斷裂。而用其他較輕的材料制造纜繩就更不結(jié)實(shí)了。

由于太空電梯的纜繩要承受地心引力和離心力的雙重拉扯，所以它需要用又強(qiáng)又輕的材料制成，并能夠經(jīng)受住大氣層內(nèi)外向它襲來的任何物體的撞擊。也正因如此，太空電梯的概念在提出后的很長一段時間里，被認(rèn)為是不可能實(shí)現(xiàn)的，不管用多么堅固的材料制造纜繩，它都會因承受不了太空電梯兩端產(chǎn)生的巨大拉力而發(fā)生斷裂。

1990年，美國科學(xué)家提出使用像鉆石一樣強(qiáng)韌又高彈的碳納米管，其初步設(shè)想是：太空電梯的纜繩是由10億條長達(dá)10萬千米的碳納米管制成的。

1991年，日本科學(xué)家真的發(fā)現(xiàn)了質(zhì)量輕、強(qiáng)度高的碳納米管，讓太空電梯這一設(shè)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)有了希望。碳納米管是石墨中一層或若干層碳原子卷曲而成的籠狀“纖維”，直徑只有幾到幾十納米，內(nèi)部是空的。這種材料又輕又結(jié)實(shí)，密度是鋼的六分之一，強(qiáng)度卻是鋼的20倍至近百倍。也就是說，一根像縫衣線粗細(xì)的碳納米管就能承受一輛汽車的重量。目前，日本在碳納米管的開發(fā)上已取得一定進(jìn)展。

日本大林建設(shè)公司計劃在2050年建成太空電梯，該電梯由6個長18米、直徑7.2米的橢圓柱形電梯吊箱組成，速度約200千米每小時，每次可運(yùn)送30位旅客。拉動電梯的纜繩中間部位是一個空間站，站內(nèi)將建設(shè)實(shí)驗(yàn)設(shè)施及居住空間。為了保持穩(wěn)定，避免在地球靜止軌道上的空間站因太空電梯太重被拉回地面，空間站的另一端還要加裝一條纜繩延伸懸浮到太空中以起到平衡作用，緩解太空電梯承受的地球引力。這樣一來，纜繩的總長度將達(dá)到9.6萬千米。

然而迄今為止，科學(xué)家仍然無法用碳納米管編織出很長的纜繩，只能在實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)出長1米左右的碳納米管，更不用說每克碳納米管價值500美元，要制造出一條10萬千米長的碳納米纜繩，不敢想象有多昂貴。也就是說，目前研制太空電梯最大的挑戰(zhàn)是能否以低成本、大規(guī)模生產(chǎn)出碳納米管纖維材料。

此外，研究發(fā)現(xiàn)碳納米管長期置于大氣層中會受損，因此目前科學(xué)家也在測試用金屬和硅保護(hù)碳納米管表面的技術(shù)。

雖困難重重但未來可期

除了纜繩方面的技術(shù)難點(diǎn)之外，太空電梯還面臨著許多問題。

首先，當(dāng)太陽風(fēng)向太空電梯施加壓力時，來自月球和太陽的重力作用將使纜繩變得搖擺不定。這有可能使太空電梯搖擺造成太空交通障礙，例如撞上人造衛(wèi)星或者太空垃圾殘骸，從而導(dǎo)致纜繩斷裂或電梯失事。為此，太空電梯必須在內(nèi)部建造推進(jìn)器，以保持穩(wěn)定避免搖擺振動，但這勢必會增加建造的難度和建造、維護(hù)的成本。

再者，在地球外層、距離地面1000～20000千米的區(qū)域分布著一條強(qiáng)度很高的輻射帶，如果缺乏有效的防護(hù)措施，那么乘坐太空電梯穿越該區(qū)域的乘客將受到高強(qiáng)度射線的照射。再加上太空電梯的爬升速度較慢，預(yù)計不會超過200千米/小時，這就意味著，搭乘太空電梯的人員在輻射區(qū)中將待上至少3天時間。對此，科學(xué)家已提出多種解決方案，其中一種解決方案是在太空電梯外部建造一個防護(hù)層，但這會使太空電梯變得異常笨重和復(fù)雜，難以克服地球引力的影響；另一種解決方案是在太空電梯周圍構(gòu)建一層人造磁場，以抵御各種危險的射線，但這會嚴(yán)重削弱太空電梯的升力，導(dǎo)致向太空運(yùn)送物資和人員的能量消耗大幅增加。

除此之外，太空電梯還有一些安全問題需要解決。例如，雷擊、流星、太空碎片、颶風(fēng)、原子氧等，有的問題已有對策。例如，有兩種辦法可使太空電梯免遭雷擊：其一是將太空電梯的基座選在地球上的無雷區(qū)；其二是將太空電梯的基座建在6千米高的山頂上，在此高度一般很少發(fā)生閃電。

盡管建造太空電梯困難重重，但科學(xué)家仍然相信它未來可期。因?yàn)橐坏┨针娞萑〉猛黄菩赃M(jìn)展，就意味著太空觀光變得觸手可及，還能以較低成本在地球和太空間運(yùn)輸物資。

在各國科學(xué)家的努力下，這個曾被視為科學(xué)幻想的革命性工程近年來也有了較大進(jìn)展。各國科學(xué)家現(xiàn)已提出8個比較穩(wěn)健、合理的太空電梯設(shè)計方案。我國清華大學(xué)魏飛教授團(tuán)隊早已成功制備出世界上最長的、單根長度達(dá)半米以上的碳納米管，創(chuàng)造了當(dāng)時的世界紀(jì)錄。2018年9月25日，日本曾用貨運(yùn)飛船把一對用于世界首次太空電梯試驗(yàn)的立方體衛(wèi)星送往國際空間站，接著在國際空間站上釋放了這對邊長為10厘米的立方體衛(wèi)星，它們之間用長約10米的纜繩連接，最后嘗試把一個像電梯吊箱的容器通過電動機(jī)轉(zhuǎn)動的纜繩從一端移動到另一端。這是人類首次在太空中移動纜繩上的容器，為實(shí)現(xiàn)太空電梯邁出了重要一步。

國際太空電梯聯(lián)盟主席斯旺表示，太空電梯建成后，預(yù)計8天可到達(dá)地球靜止軌道、14天到達(dá)月球、61天到達(dá)火星，其產(chǎn)生空間碎片的可能性很小，是一條綠色天路。不過，用運(yùn)載火箭進(jìn)入太空也不會因此被拋棄，畢竟運(yùn)載火箭的速度比太空的方式電梯快，能迅速穿越輻射帶，所以已經(jīng)有人提出以“太空電梯+運(yùn)載火箭”的方式運(yùn)輸，實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)。根據(jù)目前的科技水平和發(fā)展速度，有人預(yù)測太空電梯將在2050年至2100年投入業(yè)務(wù)運(yùn)營。

真正的科幻不僅僅是幻想，更是對未來的預(yù)言。沒準(zhǔn)在我們的有生之年，真的能搭乘太空電梯沖破云霄，飛向無垠的宇宙，將人類文明的種子帶到未知的黑暗中，點(diǎn)亮蠻荒！

●梁衍軍 薦自《北京日報》