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作者：王詩雨（中國科學(xué)院物理研究所博士生）

電梯能替代火箭把人和物資送往太空嗎？這可不是電影《流浪地球2》獨(dú)有的“狂想”！早在一百多年前，提出火箭構(gòu)想的科學(xué)家康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基，就幾乎同時提出了太空電梯的構(gòu)想。可現(xiàn)在，火箭已很常用，太空電梯卻還停留在科幻中，它還能成真嗎？

從太空中“扔”下繩索

(相關(guān)資料圖)

女士們，先生們，太空電梯即將達(dá)到失重空間站，請做好準(zhǔn)備，從右側(cè)梯門下梯。”如果有一天，人們聽見這樣的播報(bào)聲，會不會以為是在夢里？

20世紀(jì)初，被譽(yù)為俄羅斯“航天之父”的康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基可真有這樣的夢想。他知道，宇宙空間中反作用力是移動的唯一方法，為此，他提出過幾大構(gòu)想來奔赴外太空。其中之一是用液體作為火箭燃料，將兩節(jié)以上的火箭串聯(lián)起來，組成一列多級火箭以提高火箭的速度。

這一設(shè)想，在一百多年后的今天，已經(jīng)是航天領(lǐng)域的重要應(yīng)用。有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2022年全球火箭入軌發(fā)射共計(jì)186次。中國以64次發(fā)射列第二，占全球的34.4%。入軌發(fā)射最多的火箭是SpaceX的獵鷹系列，排列第二位的為中國長征系列。

火箭成真，可康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基在1895年提出的另一個設(shè)想，卻至今仍未實(shí)現(xiàn)。

這個設(shè)想，其實(shí)很樸素——在地面上建設(shè)一座高到超乎想象的鐵塔，一直建到地球同步軌道為止，在鐵塔內(nèi)架設(shè)電梯，人們便可以搭著電梯進(jìn)入外太空。

這就是太空電梯的雛形。

這樣的鐵塔結(jié)構(gòu)，是不是似曾相識？沒錯，它就是康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基，參觀法國埃菲爾鐵塔時受到的啟發(fā)。這樣的構(gòu)想，也與大家對電梯的認(rèn)知最為接近，但是，有一個最大的問題——地球同步軌道高度為35786千米，而目前世界上最高的建筑，是位于迪拜的哈利法塔，高度只有828米。

差距太過懸殊，就像巨人和螞蟻。這樣一來，建一個太空電梯就像癡人說夢了！

還有沒有別的辦法？想一想，假如把一只風(fēng)箏放到250米的高空，除了在地面上奔跑，不斷放長線繩，將風(fēng)箏放飛到空中外，還能怎么做？能不能坐直升機(jī)到更高空，將風(fēng)箏扔出，慢慢放線，讓風(fēng)箏到達(dá)250米的空中？

雖然這是個很不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)念惐龋嫦蛩季S，提供了一個思路。如果想要建造一座直達(dá)外太空的電梯，最重要的就是需要提供繩索軌道，既然從地面向上建造不現(xiàn)實(shí)，那能不能從太空中“扔”下繩索，就像扔風(fēng)箏線一樣？

也就是說，可以先發(fā)射一顆地球同步衛(wèi)星，然后從衛(wèi)星上伸出繩索“垂”到地面上，在地面一端固定，形成太空電梯的運(yùn)行軌道。

這就不用建塔了，只需“幾根繩索”就行了。

這樣一想，建造太空電梯，就顯得不那么鏡花水月，如今的太空電梯計(jì)劃，也都是基于這個模型。

尋找最強(qiáng)纜繩材料

在眾多太空電梯計(jì)劃中，最受人矚目的，是日本在2012年宣布的太空電梯計(jì)劃。

當(dāng)時，尤其擅長建高塔的日本著名建筑公司大林組，宣布要投資100億美元建設(shè)太空電梯，預(yù)計(jì)電梯時速200公里，單程需要7天，計(jì)劃2025年左右在赤道附近的海上開工，2050年左右落成運(yùn)營。

然而，距離計(jì)劃啟動已經(jīng)過去了10年之久，前景似乎不容樂觀，就連大林組公司內(nèi)部一直參與太空電梯研發(fā)的高級工程師石川洋二都坦言：這個項(xiàng)目越是嘗試，就越是困難。

首先，不考慮外部因素，太空電梯主要由四部分構(gòu)成：

電梯的廂體、廂體上下運(yùn)動所需的纜繩軌道、用于在地球端固定纜繩的海上基地，以及配重。

為什么還需要配重呢？

在太空電梯設(shè)想中，是要從同步衛(wèi)星上“扔”下纜繩，一直“垂”到地球上。可隨著纜繩逐漸下放，其受到的萬有引力就會大于離心力，于是纜繩會對同步衛(wèi)星產(chǎn)生向地球的拉力，這豈不是纜繩放著放著，就會把原本穩(wěn)定的同步衛(wèi)星拽下來？

為了解決這個問題，在向下放纜繩的同時，就必須向上“扔”東西，產(chǎn)生一個向外的拉力，以此抵消纜繩對衛(wèi)星向地球的拉力。向上“扔”的東西必須足夠重，能夠穩(wěn)住衛(wèi)星，這就是配重。

但新問題又來了！

纜繩，實(shí)際并不是靜止的狀態(tài)，而是在隨著同步衛(wèi)星一起高速轉(zhuǎn)動，所需的巨大向心力可能會超過材料的抗拉極限，導(dǎo)致纜繩自己把自己甩斷。

那么，太空電梯對材料抗拉能力的要求，到底有多苛刻？

在地心參考系中，將纜繩簡化成圓柱狀，密度是ρ，橫截面是S，一端固定于地球同步衛(wèi)星，另一端固定于赤道海上基地。在同步衛(wèi)星軌道附近的一小段纜繩，不考慮各種額外的載重，它受到的拉力可以這樣計(jì)算：

如果用鋼作為太空電梯的纜繩，代入鋼的密度值，可以估算得到鋼需要承受的最大應(yīng)力至少要達(dá)到400?GPa。但實(shí)際上，鋼的抗拉強(qiáng)度只有400MPa，也就是說，是鋼能承受的最大應(yīng)力的400倍。

那么，即便是用鋼來做纜繩，也會在強(qiáng)大的引力作用下拉伸變形。

這是異常棘手的問題——如何找到密度小，但抗拉強(qiáng)度大的材料？

目前，最有可能滿足上述要求的是碳納米管。這是由碳原子組成的管狀結(jié)構(gòu)納米材料，是目前已知的理論上力學(xué)強(qiáng)度最高和韌性最好的材料。

碳納米管的密度大約是1700?kg/㎡，如果用碳納米管做太空電梯的纜繩，碳納米管的抗拉強(qiáng)度至少要達(dá)到90GPa。

目前，在實(shí)驗(yàn)中能夠合成的碳納米管，其抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到200?GPa，而具有理想結(jié)構(gòu)的單壁碳納米管，其抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到800GPa。

這樣看來，只要生產(chǎn)出幾萬公里長的碳納米管，把它從同步衛(wèi)星上“懸掛”下來，固定到赤道附近的海上基站，問題不就迎刃而解了！

然而，探索太空電梯的道路，注定崎嶇不平。

1991年，日本科學(xué)家飯島澄男發(fā)現(xiàn)并命名了碳納米管，給陷入瓶頸的太空電梯設(shè)想注入了信心，許多研究團(tuán)隊(duì)都重新拾起了太空電梯計(jì)劃。

可是，大家很快就發(fā)現(xiàn)，由于制備工藝的限制，實(shí)際能夠制備出的碳納米管長度只有幾毫米，且存在大量結(jié)構(gòu)缺陷。

這似乎又走到了死胡同。

但科學(xué)家可不會輕易放棄。

2013年，清華大學(xué)魏飛教授團(tuán)隊(duì)，將生長每毫米長度碳納米管的催化劑活性概率提高到99.5%以上后，成功制備出了單根長度超過半米，且具有完美結(jié)構(gòu)的碳納米管。

目前，他們正在研制長度在千米級以上的碳納米管。

太空天梯，似乎迎來了一線曙光。

動力來源、躲避衛(wèi)星，難題要逐一攻克

此前提出的這些模型，其實(shí)都是最簡單的物理模型，一旦要考慮項(xiàng)目建設(shè)的可行性，就必須要去面對和解決更多實(shí)際問題。

例如，碳納米管做的纜繩，時間久了會不會磨損？能用很長時間嗎？畢竟，如果纜繩很容易破損，那這電梯即便建好了，也不經(jīng)用，實(shí)在不具備良好的性價比。

為了檢驗(yàn)碳納米管的耐久性，日本大林組建筑公司于2015年，將碳納米管樣品送到了位于地表上空400公里附近的日本實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)，放置在太空中兩年后，這一樣品又被帶回地球。研究人員分析發(fā)現(xiàn)，碳納米管的表面已經(jīng)被原子狀態(tài)的氧破壞了。

要知道，400公里高度是大氣層中的熱層，空氣已經(jīng)極其稀薄，即便是這樣，兩年的時間也已破壞了碳納米管。

那么，可以想象，在地表附近氧氣豐富的對流層，碳納米管纜繩會面臨著更加嚴(yán)峻的考驗(yàn)——除了被原子狀態(tài)的氧破壞，它還需要面對風(fēng)吹日曬雨淋，甚至可能碰上閃電、颶風(fēng)等各種極端氣候。

提高纜繩耐久性，又是困難重重的研究。雖然探索的步伐不會停止，但誰也不能保證科研會一帆風(fēng)順。

除了耐久性問題以外，還有一大堆難題，等待著科學(xué)家去解決。

例如，如何保證電梯廂體有足夠的動力支持，可以一直從地面升到太空站？如果升到一半，太空電梯的動力系統(tǒng)突然失靈怎么辦？那簡直就是高空求生驚悚片現(xiàn)場，想想就令人不寒而栗。

再例如，太空現(xiàn)在有點(diǎn)擁擠——不僅僅有許多衛(wèi)星，還漂浮著很多衛(wèi)星解體產(chǎn)生的太空碎片和隕石。如何讓太空電梯自動躲避太空碎片和一些可能撞上來的衛(wèi)星？一旦躲避不及，這后果，也難以想象。

建造太空電梯，這真的是越嘗試，越困難。

既然如此困難，為什么科學(xué)家還一直執(zhí)著于這幾乎不可能的設(shè)想呢？

最大的動力，就是要降低奔赴太空的成本。

目前的國際商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射中，每千克載荷的運(yùn)輸成本在2000～2萬美元。普通人想要去太空旅行一趟，至少需要10萬美元。如果太空電梯可以建設(shè)成功，不考慮初期建設(shè)成本，根據(jù)日本大林組建筑公司的預(yù)估，每千克載荷的運(yùn)輸成本約為200美元——也就是說，只需要花費(fèi)7萬左右人民幣，就可以去太空旅行了。

建成太空電梯后，除能讓太空觀光變得觸手可及，還能夠低成本地在地球和太空間運(yùn)輸物資。

這也許會成為人類太空探索史上，最動人心魄的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

仰望天空，想象一下。有生之年，我們也許將看到一座宏大的天梯，穿破云層，橫貫天地。

《光明日報(bào)》（ 2023年02月23日?16版）

來源：光明網(wǎng)-《光明日報(bào)》

作者：王詩雨

責(zé)任編輯：馮崢

標(biāo)簽： 太空電梯 同步衛(wèi)星 抗拉強(qiáng)度