太空天梯

崔金泰

“太空天梯”这种东西，大家一定在科幻作品中见过。这种连接地球与太空的轨道，仿佛离生活非常遥远，就像是一种荒谬的存在。但科学家们却表示：太空天梯真的可能实现，它是人类新的太空梦。

20世纪90年代，人类发明了碳纳米管，这是一种轻巧、刚硬、坚韧的材料，被科学界视为“太空天梯”中轨道电缆的最理想材料。随着碳纳米管技术的发展，人类的登梯游太空梦将一步步照进现实。

登天“钥匙”出现

1979年，英国著名科幻大师阿瑟·克拉克在小说《天堂之泉》中，首次提出了“太空天梯”的概念，它大胆又充满想象力。

随着人类探索太空步伐的加快，科学家们开始认真考虑，能否研制出天梯，实现太空与地球间物资更便捷地交换？

1991年，日本科学家饭岛意外发现了碳纳米管，其力学性能极佳，有着极高的拉伸强度、极强的抗形变力和断裂伸长率。它轻巧、坚韧又刚硬。科学家们表示，碳纳米管便是制作天梯的最理想材料。

1999年美国航空航天局资助了布拉德利·爱德华兹博士所在的洛斯阿拉莫斯国家实验所，要求他制订出使用新型碳材料制造太空天梯的方案。他为此进行了研究，并发布了用碳纳米管材料制作太空天梯的可行性报告。

布拉德·爱德华兹博士指出“太空天梯”的成本为70～100亿美元，这远远低于大型的太空项目。英国一项测算也显示，太空天梯的运送成本仅占常用航天器的0.25%。而且它一旦建成，将大大提高人类造访太空的频率，也将开启人类探索太空的新纪元。2005年3月23日，美国航空航天局正式宣布太空天梯已成为世纪挑战的首选项目。

碳纳米管：一种由碳元素构成的中空管状纳米级超细纤维。它重量轻，具有完美连接的六边形结构，还有许多超常的力学、电学和化学性能。如其在单位质量上的拉伸强度是钢铁的276倍，远超其他材料。

“太空天梯”计划书

21世纪初，爱德华兹经过几年的研究后，给美国航空航天局拟订了一份关于太空天梯的详细计划。他在计划书中建议将两根5至10英寸宽的碳纳米管缆绳运到赤道上空约35000千米的地球同步轨道，系在地球同步卫星上，然后让两根缆绳的另一端飘回地面，与太平洋中一个类似石油钻探平台的设施相连。

接着，将系在卫星上的缆绳向地球外上升到约69.9万千米的太空，两根缆绳的中心点应一直保持在地球同步轨道上。然后，让装有接触踏板的“车厢”在激光能源的推动下，从地球表面沿缆绳向上攀爬，从而像拉链一样将两根缆绳黏合到一起。

随后，另外229个这样的“车厢”将更多的碳纳米纤维结合到一起，形成一根宽约1米的缆绳。这样，太空天梯便建成了。

使用太空天梯时，一列载重13吨的“车厢”将货物或人员以每小时201千米的速度沿太空天梯上升。经过7天后，“车厢”抵达地球同步轨道。开始时，可把第一批抵达太空的货物和人员停放在储存轨道上，随着越来越多的太空天梯得以建成，运营成本将进一步降低，而且货物和人员可以实现上下循环，来往自如。

在几列太空天梯开始满负荷运行后，人类便可以利用这种廉价而便利的交通工具开发更大规模的零重力制造业、太空旅游业，更好地对地球环境进行监测，清除地球轨道上的人造太空垃圾，在小行星上采矿，以及做各种各样的其他的工作。

爱德华兹的太空天梯计划，不仅开创了太空天梯建造的新时代，而且正如他在2002年出版的《太空梯：一种革命性的地球·太空交通系统》一书中所说的：“太空梯可以使人类历史实现跳跃性的发展。”

奇迹将在15年内出现

爱德华兹曾在2004年大胆预言：15年之内，也就是2019年之前，科学家们将在距离厄瓜多尔海岸1931千米的海面上建立一个平台，一根约1米宽、厚度比纸还薄的碳纳米管缆绳的一端与该平台相连，另一端伸向约10万千米之遥的太空，在地球旋转的向心力作用下，缆绳将会被拉得很紧。

货物或人员可以沿着缆绳爬行到任意高度：在低空，人类可以进行太空旅游；在中空，通信卫星将进入地球同步轨道；进入高空后，可利用地球的旋转将飞船送上月球、火星，甚至更远的地方。

一旦这种太空天梯建成后，通常利用耗资巨大的火箭将人员或货物送入太空的方法将会被太空天梯取代。尤其让爱德华兹感到满意的是，太空天梯将大幅度降低运载成本，每磅（约0.45千克）载重将只耗费100美元。相比而言，目前使用航天飞机的运载成本是每磅1万美元。而且，太空天梯本身的建造成本仅需60亿美元。

对于太空天梯的大胆设想，一些科幻小说家和工程师早已谈论了很多年，但由美国航空航天局资助的这项设想却具有极大的可行性，这令航天界人士大为震惊。美国航空航天局的戴维·史密瑟曼说：“这是迄今为止我见到过的最大胆而又最详细的设想。”美国航天界的帕特里夏·拉塞尔则说：“爱德华兹把一切都考虑周到了，从而引起了人们广泛的兴趣和期待。他使太空天梯显得真实可行。”

虽然如今看来，爱德华兹的这一预言可能要破灭了，但他勾画出来的太空天梯场景及其可行性，还是非常有前景的。一旦碳纳米管缆绳被科研攻关拿下了，人类建造太空天梯的“曙光”就降临了。

地球同步轨道：倾角为零的圆形地球同步轨道称为地球静止轨道，因为在这样的轨道上运行的卫星将始终位于赤道某地的上空，相对于地球表面是静止的。这种轨道卫星的地面高度约为 3.6万千米，它的覆盖范围很广。

更长的碳纳米管

人类要完成“太空天梯”这一壮举的核心技术，就是碳纳米管技术。因为人类要用碳纳米管材料，做出足够长、足够轻、足够刚硬、足够柔韧的“缆绳”。其实科学家们，一直走在科研攻关的路上。

例如，2013年我国清华大学的魏飞教授带领的团队，制备出了世界上最长的碳纳米管，其单根长度可达半米以上，这是目前一维纳米材料长度的最高值。魏教授表示：他们团队的目标是制备出千米级以上长度的碳纳米管，为“太空天梯”的制造开启一线曙光。

碳纳米管有很多应用，最重要的一个方面就是制造出“又轻又韧又强又便宜”的材料。它刚被发现时就因超高的弹性模量、机械强度高、质量超轻而备受科学界关注，而碳又是一种便宜的元素。因此，很多团队参与此项研究，希望做出“又轻又韧又强又便宜”的超级纤维。

遥望未来的航天事业，一种高质量的碳纳米管的出现，将帮助人类达成建造“天梯”的梦想，能够更快速、更省成本地发射航天器。

启动“天梯”项目

2012年，由美国航空航天局前工程师迈克尔·莱恩创办的电梯港公司宣称：该公司可用现有技术在月球上建造一座太空电梯，并表示这一想法能在8年内成为现实。

据报道称，该公司研发的“太空电梯”系统，首先会用缆绳测试，随后再推出月球系统。该公司的研究人员希望，最终他们能够使用“太空电梯”将空间站与月球连接起来。该公司还在网上发起一项集资活动，希望为月球“太空电梯”筹得第一笔资金。

此外，2012年，日本的大林组也首次完整提出“天梯”计划。为此，他们邀请所有日本的大学参与进来，共同研究“天梯”所需要的技术。大林组自信能在2025年开始建造太空电梯，预计在2050年完成一个“天梯”建造项目，电梯的总建造高度将达到9.6万千米。

2015年8月加拿大的托特公司表示，他们计划建造一个太空电梯，高度约两万米。该公司已获得一项美国专利权用于建造独立塔状结构，可从地球表面向空中延伸至万米，这个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。他们同时表示，未来太空电梯将作为其太空旅游业的一个重要部分。

上述的这些“天梯”项目，不论未来是否能够成功，但都表明在21世纪人类就希望建造出“太空天梯”的迫切愿望与信心。“太空天梯”已经从科幻电影，慢慢一步步走入现实世界，真是触手可及了。

科研的“拦路虎”

太空天梯为人们提供了一种到达太空更为经济和便利的途径，就像坐着快速电梯上高楼一样。它将使传统的运载火箭面临“下岗”的威胁。然而，美梦成真并不是轻而易举就能实现的。

天梯所用的材料要求非常严格和苛刻，以至于通常所用的材料都难以承担和胜任。这项技术的最大障碍在于缆索材料。目前最有希望的是碳纳米管，因为厚度仅为头发丝1‰的纳米管可承受比自身质量大5万倍的重物，但超长碳纳米管的研发仍有一段路要走。

如果要造“太空天梯”的缆索，就像要钢缆一样将无数根碳纳米管拧成一根紧密的“绳”。首先做天梯的碳纳米管需要足够长，而碳纳米管要想长很长，其生长的催化剂活性需特别高，且能坚持很久。目前人类研发的最长的单维碳纳米管仅半米以上，因此科研方面仍需努力。

此外，一旦有了足够长的碳纳米管，要把它们做成高质量的纤维，还需要纺织技术的配合。试想一下，站在直径一米的“地球”外面，想要将几千亿根长长的碳纳米管纺成一根结实的“线”，传统的纺织技术肯定不行。现有的做法有聚合物熔融、气相沉积、静电纺织等，但这些方法都还需要改进，不过人类总算有纺织它的方法了。

“太空天梯”因应用成本更低，所有的太空机构都很喜欢这一构想。目前超级纳米纤维的研制已吸引了数十亿美元的科研经费。

科学家预测在2020年左右，人类可以通过此技术研发出最适合的“太空天梯”材料。许多科学家的态度更乐观，认为人类在最近的50～100年内，就能够建造出“太空天梯”改变世界。