乘“电梯”去太空的梦想能成真吗？

庞之浩

要问如今哪部佳作最能代表中国目前电影工业最高水准，毫无疑问是《流浪地球》。它给全国观众带来了惊喜，所有后期特效均为我国自己的团队完成，却让不少观众在电影开场30分钟后都产生在看“好莱坞顶级大片”的错觉。

片中那段展现太空电梯的长镜头，更让全世界影迷都震撼不已。虽说《流浪地球》是一部科幻小说，但太空电梯实际上并非作者的虚构之物，而是一项已经被人类研究了几十年的高精尖技术。未来的某一天，坐着“天梯”去遥远的太空，并非白日做梦。

什么是太空电梯？

顾名思义，太空电梯，就是连接地面和太空的一座很高的电梯。

太空电梯的概念最早是由俄国科学家、航天之父齐奥尔科夫斯基在1895年提出。1979年，著名科幻大师亚瑟·克拉克在其小说《天堂喷泉》中再次提出太空电梯的概念，并引起广泛注意，因为它具有理论基础和科学依据。

2021年11月，国际太空电梯联盟主席斯旺对外宣称，未来，太空电梯将作为永久性物流基础设施，可把物资和人员运到太空，从而成为进入太空的新通道。现已有不少科学家认为，就在本世纪内，太空电梯的梦想将成真。

有的朋友肯定要问了，为何人类已经掌握了火箭技术，却还要捉摸着造太空电梯？

原来，运载火箭的原理是通过消耗大量燃料来摆脱地球引力，所携带的燃料占火箭总重量的90%以上，因此每运送1千克有效载荷上天，平均需耗资至少1万美元。

而太空电梯则不需要耗费大量燃料，它可以像高速公路一样24小时不停运转，将航天器、各类物资、人员带到太空中。据权威论证，太空电梯运输物资的成本每千克仅为500美元，相比运载火箭的至少10000美元，低了两个数量级！因此虽然建造太空电梯的费用也很昂贵，但建成运行之后可谓一本万利！

建造原理并不复杂

其实，太空电梯的原理并不复杂，说到底就是将一条长长的缆绳一端固定在地球表面，另一端紧紧抓住位于距地面约3.6万千米的地球静止轨道上的平衡物（如大型空间站）。在引力和离心加速度的相互作用下，缆绳将会绷紧，一个形似电梯的吊箱便可利用太阳能或激光能转变成的电能，载着货物、人员沿缆绳在太空和地面之间自由上下往返。

具体来说，太空电梯主要由4个部件组成：基座、缆绳、电梯吊箱和动力系统。

基座是太空电梯在地面上的基础结构，必须建在地球赤道地区，既可以建在陆地上，如高山顶或高塔尖上；也能建在海上，像一个巨大的港口，要位于一个暴风雨、闪电和巨浪较少的海域，还要远离飞机航线和卫星轨道，尤其是要防雷击。

缆绳是太空电梯的关键技术和设备，制造缆绳的材料必须有很高的拉伸强度，可大规模生产，还要造价低廉、质量很轻。在建造太空电梯时，地面将发射卷有缆绳的航天器到太空，让缆绳的一端借助重物坠回地球，与地面上的基座平台相连接；另一端连接位于地球静止轨道的航天器。当地球自转时，太空电梯的缆绳会产生向上的离心力，而地球的重力又将其往下拉，这样缆绳就能实现平衡。

电梯吊箱是载人和运货的部件，其功能跟传统电梯一样，但原理和结构不同。电梯吊箱虽然也是沿着缆绳向上爬，但从天上垂下一根超长的缆绳来将它吊上去是不太可能的，它得自己想办法爬上去。最简单的方法是给电梯吊箱装上马达，带动安装在吊箱上的一组轮子转动，轮子紧紧卡住缆绳上的履带轨道，吊箱便能沿着缆绳向上滑行。

作为动力系统的马达，其电源可以来自缆绳，也可以来自装在电梯吊箱上的发电机，但这两种方式都会增加电梯吊箱的重量。减轻重量的方法是在电梯吊箱上安装光电转换装置，然后从地面发射激光到光电转换装置上，最后用电将其“射”上去。

最大技术瓶颈——缆绳

目前，太空电梯走向太空的最大障碍还是缆绳的建造。

例如，若是用比较结实的钢缆当缆绳，则缆绳不能太长，否则会因缆绳自身重量太重而掉下来；且钢缆难以经受巨大的拉力，容易断裂。而用其他较轻的材料制造缆绳就更不结实了。

由于太空电梯的缆绳要承受地心引力和离心力的双重拉扯，所以它需要用又强又轻的材料制成，并能够经受住大气层内外向它袭来的任何物体的撞击。也正因如此，太空电梯的概念在提出后的很长一段時间里，被认为是不可能实现的，不管用多么坚固的材料制造缆绳，它都会因承受不了太空电梯两端产生的巨大拉力而发生断裂。

1990年，美国科学家提出使用像钻石一样强韧又高弹的碳纳米管，其初步设想是：太空电梯的缆绳是由10亿条长达10万千米的碳纳米管制成的。

1991年，日本科学家真的发现了质量轻、强度高的碳纳米管，让太空电梯这一设想变为现实有了希望。碳纳米管是石墨中一层或若干层碳原子卷曲而成的笼状“纤维”，直径只有几到几十纳米，内部是空的。这种材料又轻又结实，密度是钢的六分之一，强度却是钢的20倍至近百倍。也就是说，一根像缝衣线粗细的碳纳米管就能承受一辆汽车的重量。目前，日本在碳纳米管的开发上已取得一定进展。

日本大林建设公司计划在2050年建成太空电梯，该电梯由6个长18米、直径7.2米的椭圆柱形电梯吊箱组成，速度约200千米每小时，每次可运送30位旅客。拉动电梯的缆绳中间部位是一个空间站，站内将建设实验设施及居住空间。为了保持稳定，避免在地球静止轨道上的空间站因太空电梯太重被拉回地面，空间站的另一端还要加装一条缆绳延伸悬浮到太空中以起到平衡作用，缓解太空电梯承受的地球引力。这样一来，缆绳的总长度将达到9.6万千米。

然而迄今为止，科学家仍然无法用碳纳米管编织出很长的缆绳，只能在实验室生产出长1米左右的碳纳米管，更不用说每克碳纳米管价值500美元，要制造出一条10万千米长的碳纳米缆绳，不敢想象有多昂贵。也就是说，目前研制太空电梯最大的挑战是能否以低成本、大规模生产出碳纳米管纤维材料。

此外，研究发现碳纳米管长期置于大气层中会受损，因此目前科学家也在测试用金属和硅保护碳纳米管表面的技术。

虽困难重重但未来可期

除了缆绳方面的技术难点之外，太空电梯还面临着许多问题。

首先，当太阳风向太空电梯施加压力时，来自月球和太阳的重力作用将使缆绳变得摇摆不定。这有可能使太空电梯摇摆造成太空交通障碍，例如撞上人造卫星或者太空垃圾残骸，从而导致缆绳断裂或电梯失事。为此，太空电梯必须在内部建造推进器，以保持稳定避免摇摆振动，但这势必会增加建造的难度和建造、维护的成本。

再者，在地球外层、距离地面1000～20000千米的区域分布着一条强度很高的辐射带，如果缺乏有效的防护措施，那么乘坐太空电梯穿越该区域的乘客将受到高强度射线的照射。再加上太空电梯的爬升速度较慢，预计不会超过200千米/小时，这就意味着，搭乘太空电梯的人员在辐射区中将待上至少3天时间。对此，科学家已提出多种解决方案，其中一种解决方案是在太空电梯外部建造一个防护层，但这会使太空电梯变得异常笨重和复杂，难以克服地球引力的影响；另一种解决方案是在太空电梯周围构建一层人造磁场，以抵御各种危险的射线，但这会严重削弱太空电梯的升力，导致向太空运送物资和人员的能量消耗大幅增加。

除此之外，太空电梯还有一些安全问题需要解决。例如，雷击、流星、太空碎片、飓风、原子氧等，有的问题已有对策。例如，有两种办法可使太空电梯免遭雷击：其一是将太空电梯的基座选在地球上的无雷区；其二是将太空电梯的基座建在6千米高的山顶上，在此高度一般很少发生闪电。

尽管建造太空电梯困难重重，但科学家仍然相信它未来可期。因为一旦太空电梯取得突破性进展，就意味着太空观光变得触手可及，還能以较低成本在地球和太空间运输物资。

在各国科学家的努力下，这个曾被视为科学幻想的革命性工程近年来也有了较大进展。各国科学家现已提出8个比较稳健、合理的太空电梯设计方案。我国清华大学魏飞教授团队早已成功制备出世界上最长的、单根长度达半米以上的碳纳米管，创造了当时的世界纪录。2018年9月25日，日本曾用货运飞船把一对用于世界首次太空电梯试验的立方体卫星送往国际空间站，接着在国际空间站上释放了这对边长为10厘米的立方体卫星，它们之间用长约10米的缆绳连接，最后尝试把一个像电梯吊箱的容器通过电动机转动的缆绳从一端移动到另一端。这是人类首次在太空中移动缆绳上的容器，为实现太空电梯迈出了重要一步。

国际太空电梯联盟主席斯旺表示，太空电梯建成后，预计8天可到达地球静止轨道、14天到达月球、61天到达火星，其产生空间碎片的可能性很小，是一条绿色天路。不过，用运载火箭进入太空也不会因此被抛弃，毕竟运载火箭的速度比太空的方式电梯快，能迅速穿越辐射带，所以已经有人提出以“太空电梯+运载火箭”的方式运输，实现互补。根据目前的科技水平和发展速度，有人预测太空电梯将在2050年至2100年投入业务运营。

真正的科幻不仅仅是幻想，更是对未来的预言。没准在我们的有生之年，真的能搭乘太空电梯冲破云霄，飞向无垠的宇宙，将人类文明的种子带到未知的黑暗中，点亮蛮荒！

●梁衍军 荐自《北京日报》