連接天地的“高速公路”——太空電梯

著名科幻小說(shuō)家劉慈欣在《三體》中描述了一種奇特的裝置——“天梯三號(hào)”，它就是我們今天要介紹的“主角”——太空電梯。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械化的程度越來(lái)越高，人們的生活越來(lái)越便利，只要是稍高一點(diǎn)的樓層通常都會(huì)安裝電梯。電梯在城市中隨處可見(jiàn)，借助電梯我們可以節(jié)省上下樓梯的時(shí)間和體力。隨著人類對(duì)太空探索需求的加大，我們經(jīng)常要使用運(yùn)載火箭。不過(guò)，運(yùn)載火箭花銷巨大，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。如果能在太空建造一個(gè)電梯，“登天”就會(huì)方便得多了。而且設(shè)想中的太空電梯不僅可以運(yùn)輸貨物，還可以帶人類去太空觀光。

盡管迄今為止，太空電梯還只存在于人們的想象中，但在科學(xué)界，它早就不是什么新鮮詞匯了。1895年，俄國(guó)科學(xué)家康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基在法國(guó)巴黎參觀埃菲爾鐵塔時(shí)突發(fā)奇想：要是建造一座高度超過(guò)3.5萬(wàn)千米的“太空塔”，讓它的頂端與地球靜止軌道上的“太空城堡”相連，不就可以向“太空城堡”運(yùn)送人員和物資了嗎？遺憾的是，在那個(gè)飛機(jī)還沒(méi)有上天的年代，齊奧爾科夫斯基的這一設(shè)想并不受重視，甚至被嘲笑為癡人說(shuō)夢(mèng)。直到2003年，美國(guó)和俄羅斯的多名科學(xué)家對(duì)太空電梯進(jìn)行了討論，才肯定了這一偉大的構(gòu)想。隨后，美、俄、日等多國(guó)開(kāi)展研究，制造太空電梯的計(jì)劃逐漸被提上日程。

齊奧爾科夫斯基有多牛？

齊奧爾科夫斯基是現(xiàn)代航天學(xué)火箭理論的奠基人，被譽(yù)為“火箭之父”。早在100多年前，他就設(shè)計(jì)了世界上第一艘宇宙飛船，提出了多級(jí)火箭理論以及用液體燃料推進(jìn)劑代替固體燃料推進(jìn)劑等超時(shí)代的偉大設(shè)想。正是依據(jù)這些航天理論，人們才發(fā)明了火箭，把宇宙飛船送上了太空。他有一句名言：“地球是人類的搖籃，但人類不可能永遠(yuǎn)生活在搖籃里?！?/p>

按照科學(xué)家的設(shè)想，未來(lái)太空電梯有6個(gè)橢圓形的運(yùn)載艙，一次能搭載30個(gè)人，速度為每小時(shí)200千米，這樣8天以后就能到達(dá)太空站。

如果太空電梯成為現(xiàn)實(shí)，它將是一種比火箭便宜得多的太空運(yùn)輸工具。目前運(yùn)載火箭，總重的90%是燃料，5%是船體，最后的5%才是宇航員、衛(wèi)星和其他有效載荷。與消耗的大量燃料相比，有效的載荷太少了，因此火箭的效率太低。目前的行情是：每運(yùn)送1千克載荷進(jìn)入太空就要花費(fèi)2萬(wàn)美元。而太空電梯就不同了，升降艙可以在下降時(shí)回收上升過(guò)程所積累的能量（勢(shì)能），而且可以借助太陽(yáng)能提供動(dòng)力。因此，它的效率遠(yuǎn)比火箭高。

現(xiàn)在我們?cè)诎l(fā)射飛船時(shí)，需要火箭提供動(dòng)力，才能讓飛船獲得擺脫地球引力的速度。而由于太空電梯是同步繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)的，因此只要將飛船運(yùn)送到空間站，輕輕放出，飛船就會(huì)獲得擺脫地球引力的速度。

太空電梯一旦建成，將有效解決火箭發(fā)射成本高的問(wèn)題。由于太空電梯的成本較低，普通人也可以前往空間站，觀看太空景色。

那這樣的太空電梯，建起來(lái)一定很難很難吧？

難，也不難。

說(shuō)不難，是因?yàn)橹灰诰嚯x地面大約3.6萬(wàn)千米的“地球同步軌道”上選擇一個(gè)點(diǎn)（這個(gè)點(diǎn)會(huì)像同步衛(wèi)星那樣，和地球保持同步轉(zhuǎn)動(dòng)，因而從地球上看是靜止的），把太空電梯的一頭放到這個(gè)點(diǎn)上，然后往下拉繩子，一直通到地面，太空電梯的雛形就算完成了。

聽(tīng)起來(lái)是不是很簡(jiǎn)單？確實(shí)很簡(jiǎn)單，但是別忘了，太空電梯的高度大約是3.6萬(wàn)千米，任何垂直的繩索達(dá)到這樣的長(zhǎng)度，都會(huì)被自身的重量拉斷，更不用說(shuō)拉升電梯轎廂了。棉繩、麻繩、塑料繩這些都不用說(shuō)，就連鋼絲繩也只能維持20千米，連零頭的零頭都還達(dá)不到。

不過(guò)人類也不是完全沒(méi)辦法。1991年，日本一家公司發(fā)現(xiàn)了一種超強(qiáng)新型材料——碳納米管，這種材料理論上完全能滿足太空電梯纜索的要求?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，僅1立方厘米的碳納米管纖維，就能承受160頭大象的重量（超過(guò)800噸）不會(huì)斷裂，而它自身的重量只有1.6克。由于這種材料實(shí)在太強(qiáng)了，簡(jiǎn)直不像是地球的產(chǎn)物，有人甚至懷疑它是外星人送給地球人的禮物。

既然纜索的材料已經(jīng)找到了，只要生產(chǎn)出纜索，不就能建造太空電梯了嗎？但問(wèn)題來(lái)了。這種材料暫時(shí)還只存在于實(shí)驗(yàn)室里，沒(méi)辦法量產(chǎn)。要用它來(lái)做纜索，只能一個(gè)分子一個(gè)分子地拼。2013年，我國(guó)清華大學(xué)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)制造出了當(dāng)時(shí)世界上最長(zhǎng)的碳納米管，但也只比半米長(zhǎng)一些。相比之下，把鐵棒磨成繡花針可能還容易一點(diǎn)呢！

況且，即便是最結(jié)實(shí)的碳納米纜索，位于太空電梯的中間部分也可能會(huì)被輕易拉斷，而這還沒(méi)算上太空電梯頂端配重塊對(duì)其施加的強(qiáng)大拉力呢。

如果一根纜索容易斷，那就多用幾根纜索，或者把纜索加粗，行不行？加粗當(dāng)然可以，但纜索越粗，它的質(zhì)量也越大，因此纜索永遠(yuǎn)承受不了其自重。我們現(xiàn)在鋪設(shè)超高壓電纜，通常都是用無(wú)人機(jī)或直升機(jī)先拉一條細(xì)細(xì)的先導(dǎo)纜索，再一級(jí)一級(jí)加強(qiáng)，即用尼龍線拉鋼絲的方式，把沉重的電纜拉過(guò)寬闊的江河。但是，跨江電纜是水平鋪設(shè)的，且最多只有幾千米長(zhǎng)，而太空電梯的纜索卻是直上直下、長(zhǎng)幾萬(wàn)千米，且中間不能中斷。

而且，目前人類最強(qiáng)大的火箭只能把百余噸的載荷送到近地軌道，沒(méi)有任何火箭可以一次性地把幾十萬(wàn)噸的纜索拖到地球同步軌道，更不用說(shuō)讓它到達(dá)配重所在的10萬(wàn)千米的高空。

還有一個(gè)問(wèn)題：即便我們千辛萬(wàn)苦、耗費(fèi)巨資建成了太空電梯，也無(wú)法一勞永逸地使用它。太空電梯從低空到高空會(huì)面臨全方位的威脅：雨水、風(fēng)沙、鹽霧會(huì)侵蝕纜索；大氣流動(dòng)會(huì)對(duì)纜索施加橫向拉力，使它彎曲、振動(dòng)；電梯轎廂高速上下運(yùn)動(dòng)會(huì)造成纜索表面快速磨損；在中低軌道運(yùn)行的所有航天器，只要其軌道穿越地球赤道，理論上都可能與太空電梯的纜索發(fā)生高速碰撞，數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的太空垃圾更是無(wú)法控制又躲不開(kāi)，而碳納米管纜索雖然有很好的抗拉強(qiáng)度，但抗剪切能力卻非常弱，一撞就斷；在近地軌道分布著大量原子氧，它們能快速地氧化纜索表面的碳并將其帶走，因此纜索的表面若未做足抗腐蝕工作，后果不堪設(shè)想……

此外，受到太陽(yáng)和月球引力的影響，太空電梯很難做到穩(wěn)定運(yùn)行。潮汐引力會(huì)牽拉空間站、配重塊和纜索本身，使其發(fā)生伸縮搖擺，這也會(huì)縮短纜索的壽命。一旦纜索斷裂，其結(jié)果就是災(zāi)難性的：配重塊在失去纜索的束縛后，會(huì)沿切線方向高速飛離地球；與此同時(shí)，位于3.6萬(wàn)千米高的空間站會(huì)在下方纜索張力的牽拉下墜向地球，造成嚴(yán)重的災(zāi)難。

不過(guò)，隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展進(jìn)步，建造太空電梯的難題早晚會(huì)被攻克。到那時(shí)，不僅每個(gè)人都能輕松步入太空，人類還會(huì)以此為基點(diǎn)，在月球、火星上建設(shè)開(kāi)拓宇宙的基地，甚至直接在太空中建立巨大的太空城。借用電影《流浪地球2》里的一句話：相信我們的人，一定能完成任務(wù)。我們?cè)敢庀嘈?，太空電梯在未?lái)一定能幫助人類實(shí)現(xiàn)大規(guī)模進(jìn)入太空的宏愿。