近日，中國(guó)科學(xué)家成功制備出單根長(zhǎng)度達(dá)半米以上的碳納米管，創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄。圍繞對(duì)這項(xiàng)成果的評(píng)論，無(wú)不匯聚到一點(diǎn)，即人類離搭建太空天梯的夢(mèng)想又進(jìn)了一步。不久之前，日本一家公司更是提出，要在2050年之前建造一座太空天梯，送游客去太空觀光。作為美國(guó)宇航局世紀(jì)挑戰(zhàn)的首選項(xiàng)目，太空天梯本世紀(jì)真能實(shí)現(xiàn)嗎？太空天梯能有多高？搭建太空天梯將會(huì)采用哪種方案，又有什么難題要解決呢？

如何把梯子固定?。?/p>

圍繞地球有這樣一條位于赤道面上空的軌道，其距離地球赤道的高度為35786千米，如果在該軌道上的航天器以每秒3.07千米的速度繞地球運(yùn)行，那么就正好與地球自轉(zhuǎn)的速度相同，故從地面上看去，好像航天器被固定在太空中一樣，這條軌道被稱為地球靜止軌道。

正緣于地球靜止軌道的這種特殊功能，俄國(guó)著名學(xué)者、現(xiàn)代航天學(xué)奠基人之一齊奧爾科夫斯基才提出，可在軌道上設(shè)置一個(gè)太空城堡，從上面垂放一根纜繩錨在地球赤道上，就可成為通向太空的天梯。這根梯子可以筆直地通向靜止軌道，在無(wú)外力影響時(shí)它不會(huì)彎曲，能作為通往太空的運(yùn)輸線。

目前，包括中國(guó)在內(nèi)的一些國(guó)家已向地球靜止軌道發(fā)射了多顆衛(wèi)星，成功地掌握了高軌道航天器入軌技術(shù)，這都為將來(lái)建造太空天梯奠定了一定的技術(shù)基礎(chǔ)。

太空天梯的搭建步驟

1999年，美國(guó)宇航局馬歇爾研究中心發(fā)表了《天梯：太空的先進(jìn)基礎(chǔ)設(shè)施》的報(bào)告，標(biāo)志著天梯將從幻想走向現(xiàn)實(shí)。2005年，美國(guó)宇航局正式宣布，太空天梯已成為世紀(jì)挑戰(zhàn)的首選項(xiàng)目。以研究天梯而著稱的美國(guó)科學(xué)家布拉德·愛(ài)德華茲所構(gòu)想的初版天梯預(yù)計(jì)將在2019年問(wèn)世，其成本大約為70億～100億美元，與人類其他大型太空壯舉相比，天梯費(fèi)用并不算太大。

愛(ài)德華茲是這樣描述天梯的建造過(guò)程的：第一步，把一個(gè)攜帶天梯半成品的航天器發(fā)射到地球靜止軌道上，使其和地球同步飛行；第二步，把這個(gè)半成品的天梯從航天器上放下來(lái)，落到赤道海面的一個(gè)平臺(tái)上，這個(gè)平臺(tái)類似一般的海上發(fā)射衛(wèi)星的平臺(tái)；第三步，把半成品的天梯錨定在平臺(tái)上；第四步，用一個(gè)由激光提供能量的爬升器在這個(gè)半成品的天梯上上下移動(dòng)，并把更多碳納米合成纖維纜繩擰在天梯半成品上，進(jìn)一步完善天梯。整個(gè)制造過(guò)程大約需要兩年半的時(shí)間。另外，根據(jù)專家設(shè)想，天梯也可由電磁能驅(qū)動(dòng)。建成后的這個(gè)天梯猶如一條上下垂直的高速公路，爬升器就可沿著它把人員及成噸重的物資運(yùn)送到離地面約3.6萬(wàn)千米高的地球靜止軌道上，用時(shí)約需7.5天，回來(lái)也需要同樣長(zhǎng)的時(shí)間。

至于海面平臺(tái)位置的選擇要盡可能避開(kāi)飛機(jī)航班和輪船航線，也不能位于颶風(fēng)駭浪經(jīng)常發(fā)生的地方。當(dāng)然，天梯還要有抵御閃電和風(fēng)云雨雪的侵襲、穿越電離層的傷害、高層大氣中硫酸的侵蝕以及來(lái)自太空垃圾或流星的撞擊的能力。

如何防止天梯掉下來(lái)

當(dāng)航天器在地球靜止軌道上以每秒3.07千米的速度運(yùn)行時(shí)，其產(chǎn)生的離心力正好與離地球赤道35786千米高度上的地球引力相等，兩種力達(dá)到平衡狀態(tài)，故航天器不會(huì)掉下來(lái)。若從航天器伸展纜繩到地球赤道海面上組成一個(gè)天梯，那么受力狀態(tài)就發(fā)生了變化，最終情況也就不一樣了。

航天器圍繞地球飛行而掉不下來(lái)的速度是隨著距離地面的高度而變化的。軌道高度越低，地球引力就越大，所需要的飛行環(huán)繞速度也就越大，反之亦然，如在離地面4000千米高的點(diǎn)上，實(shí)際需要的環(huán)繞速度為每秒6.2千米。若天梯上每一段所產(chǎn)生的離心力無(wú)法與地球引力相平衡，最終整個(gè)天梯受到一個(gè)巨大的向下作用的合力。在此力的作用下，天梯將在繞地球旋轉(zhuǎn)的同時(shí)逐漸降低高度，最后結(jié)果只能是連同航天器一塊墜落到地球上。

如何才能防止天梯掉下來(lái)呢？辦法就是從地球靜止軌道的航天器上再向上建造一個(gè)上天梯，使其產(chǎn)生的離心力合力能夠平衡下天梯受到的地球引力的合力。根據(jù)計(jì)算，當(dāng)上天梯的高度為10.8萬(wàn)千米時(shí)，向上的合力就與35786千米長(zhǎng)的下天梯受到的向下的合力相平衡了，這樣總高度為14.3786萬(wàn)千米的整個(gè)天梯就不會(huì)墜地了。

由于上天梯受向上的拉力，下天梯受向下的拉力，整個(gè)天梯就像兩頭受拉的纜繩一樣，被繃得緊緊的，不會(huì)彎曲，即使受到某種擾動(dòng)而發(fā)生彎曲，也能自動(dòng)恢復(fù)到直線狀態(tài)。同時(shí)，受地球重力梯度的作用，天梯能始終保持垂直地面的方向。有鑒于此，建造太空天梯時(shí)，上、下天梯必須堅(jiān)持同步進(jìn)行，以便使其任何時(shí)候所受到的向上和向下的兩個(gè)力都能保持平衡。唯有如此，才能逐步完成這項(xiàng)人類歷史上空前的宏偉工程。

日本的太空天梯方案

日本大林公司所設(shè)計(jì)的太空電梯纜繩全長(zhǎng)為地球到月球距離的四分之一，約有9.6萬(wàn)千米。實(shí)施辦法是，在距離地球赤道上空約3.6萬(wàn)千米處發(fā)射一顆靜止衛(wèi)星，從上垂下一條碳納米材質(zhì)的纜繩，然后安裝升降太空天梯。為了平衡重量，避免這顆衛(wèi)星因天梯太重被拉回地面，在其上還要架設(shè)另外一條纜繩。上半部分的纜繩懸浮在太空中，以緩解太空天梯承受的地球引力。天梯纜繩下端固定在地球赤道表面一個(gè)預(yù)定點(diǎn)上，上端則系著一個(gè)起平衡作用的鉛墜。正因?yàn)槠渖隙讼抵粋€(gè)具有一定質(zhì)量的鉛墜，在環(huán)繞地球運(yùn)行過(guò)程中能夠產(chǎn)生較大的離心力，故而上天梯的高度才由10.8萬(wàn)千米降為6萬(wàn)千米，致使天梯纜線全長(zhǎng)由本來(lái)需要的約14.4萬(wàn)千米縮短至9.6萬(wàn)千米。

天梯纜繩的中間部位即距離地面3.6萬(wàn)千米處將由靜止衛(wèi)星擴(kuò)建成一個(gè)空間站，站內(nèi)將建設(shè)實(shí)驗(yàn)設(shè)施及居住空間，可供工作人員和旅客駐留。這里是普通旅行者的終點(diǎn)站，而研究人員和專家可以繼續(xù)前行，一直到纜線盡頭?？臻g站周邊設(shè)施將利用太陽(yáng)能發(fā)電，除供站內(nèi)用電外，還會(huì)向地面輸送電力。

【責(zé)任編輯】龐 云

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碳納米管：太空天梯的首選材料

太空天梯的纜繩必須異常的輕巧、堅(jiān)硬，可承受超強(qiáng)壓力，同時(shí)還要能夠耐腐蝕?？茖W(xué)家們一直苦苦尋找這種材料， 1991年，日本科學(xué)家在制備巴基球的過(guò)程中終于發(fā)現(xiàn)了碳納米管。碳納米管是使用一種特殊的方法，讓碳原子形成長(zhǎng)鏈而生長(zhǎng)出的超細(xì)管子，細(xì)到5萬(wàn)根碳納米管并排起來(lái)才有一根頭發(fā)絲寬。

碳納米管是目前人工合成新材料中力學(xué)性能最好的，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其他材料。要在地球與空間站搭建一座天梯，能夠跨越如此長(zhǎng)的距離而不被自身重量拉斷的材料，非碳納米管莫屬。如果用它來(lái)做天梯纜繩，可以制成寬約1米，厚度比紙還要薄，卻能支撐13噸有效載重量的纜繩。

不過(guò)，要實(shí)現(xiàn)登上天梯的夢(mèng)想，需要批量制備出單根長(zhǎng)度達(dá)到米級(jí)甚至千米級(jí)以上的碳納米管。對(duì)于碳納米管來(lái)說(shuō)，增加1厘米長(zhǎng)度都來(lái)之不易。因?yàn)樵谔技{米管的高溫生長(zhǎng)過(guò)程中，催化劑會(huì)失活，從而限制了碳納米管的生長(zhǎng)。提高碳納米管長(zhǎng)度的唯一方法是盡可能提高催化劑的活性率。中國(guó)科學(xué)家最近首次將生長(zhǎng)每毫米長(zhǎng)度碳納米管的催化劑活性率提高到99.5%以上，最終成功制備出單根長(zhǎng)度超過(guò)半米的碳納米管。這些碳納米管具有完美的結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的力學(xué)性能和宏觀的長(zhǎng)度，這為今后研制更長(zhǎng)的碳納米管奠定了基礎(chǔ)。

這種超長(zhǎng)碳納米管已經(jīng)接近理論最高值的拉伸強(qiáng)度，可以真正和鋼鐵、鈦合金等材料同場(chǎng)競(jìng)技，進(jìn)入應(yīng)用領(lǐng)域，制造“拉不斷”的繩子、“扯不破”的纖維布、“打不透”的防彈衣、 循環(huán)壽命可達(dá)上萬(wàn)次的超級(jí)電容、可貼在墻上薄如紙的顯示器等。

目前，中國(guó)科學(xué)家還在從事1米以上碳納米管的制備，希望能夠制備出千米級(jí)以上長(zhǎng)度、具有宏觀密度的碳納米管，為太空天梯的制備開(kāi)啟一線曙光。 （唐承革）