劉敏薔 楊旭東 王翰雄

Step 1：

擁有一個太空旅行夢

太空承載了人類無數(shù)的憧憬和想象。50年前，美國宇航員阿姆斯特朗首次登上月球，引起世人驚嘆。我們都知道，現(xiàn)在進(jìn)入太空的主要工具是運(yùn)載火箭，它是通過消耗大量燃料來擺脫地球引力的。目前的運(yùn)載火箭所攜帶燃料的質(zhì)量要占到火箭總質(zhì)量的90%以上。那我們能否建造一個不需要動用大量燃料，可以一勞永逸的太空電梯呢？

早在1895年，太空電梯的概念就由蘇聯(lián)科學(xué)家，航天學(xué)之父齊奧爾科夫斯基（Konstantin Tsiolkovsky）提出。他受當(dāng)時(shí)新建的埃菲爾鐵塔的啟發(fā)，開始認(rèn)為，如果該塔能夠建造到3.6萬千米的高度，那么它將直接進(jìn)入地球靜止軌道，因此不需要火箭就可將宇宙飛船送入太空。

雖然太空電梯造價(jià)昂貴，但建成之后的運(yùn)行費(fèi)用會比運(yùn)載火箭低兩個量級，且可以24小時(shí)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。英國的一項(xiàng)測算顯示，用太空電梯運(yùn)送1個人和貨物的費(fèi)用相當(dāng)于航天飛機(jī)運(yùn)費(fèi)的0.25%。齊奧爾科夫斯基提議在地球靜止軌道上建設(shè)一個太空城堡，和地面用一根纜繩連接起來，然后便可以像電梯一樣向太空運(yùn)輸人和物。

知識鏈接地球靜止軌道

地球同步衛(wèi)星正運(yùn)行在地球靜止軌道上

地球靜止軌道是指垂直于赤道上空的地球同步軌道，從宇宙中看，這條軌道和地球赤道就像是一對同心圓。當(dāng)航天器在該軌道上以每秒7.27×10-5弧度的角速度繞地球運(yùn)行時(shí)，正好與地球自轉(zhuǎn)的角速度相同，故從地面上看去，好像固定在太空中不動一樣，因此被稱為地球靜止軌道。

Step 2：

設(shè)計(jì)電梯的構(gòu)造

要組裝一個往來于宇宙間的電梯都需要什么零件呢？其實(shí)我們可以以普通的電梯為范例來考慮，那么太空電梯主要由4個部分組成，即地面基座、纜繩軌道、載人艙和空間站，布局也與普通電梯相似。

太空電梯組成示意圖

基座基本上是在赤道上，前文我們提到過，對于太空電梯最初的設(shè)想就是將電梯的另一端設(shè)置在地球同步軌道上，因?yàn)檫@樣的話，以地球同步衛(wèi)星（同步衛(wèi)星都必須在赤道上空）為電梯另一端時(shí)，垂下的距離最短，這種叫“固定式”。此外還有人提出“飄移式”，這樣基座就無須在赤道上了。

太空電梯的載人艙類似普通的電梯轎廂

纜繩，或許稱之為纜帶更為合適，因?yàn)槿缃竦脑O(shè)計(jì)都傾向于使用一條扁長的“纜繩”。由于考慮到受力和節(jié)省重量等原因，這條纜帶的粗細(xì)也會是變化的——在地球同步軌道處，纜帶所承受的拉力是最強(qiáng)的，因此纜繩在這里最粗，然后向兩端變細(xì)。目前大家公認(rèn)阻撓太空電梯發(fā)展的最大因素是纜帶的材質(zhì)問題。

乘坐過山車時(shí)不會掉下來是因?yàn)楫a(chǎn)生的離心力

載人艙也就是相當(dāng)于電梯轎廂的部分。太空電梯畢竟不是傳統(tǒng)電梯，從天上垂一根超長的繩子下來把電梯吊上去是不太可能的，因此需要電梯自已想辦法爬上去。目前，對于“爬上去”有兩種想法：一是在載人艙上裝上電動機(jī)，但是需要電力，這也會增加載人艙的重量;二是利用光能推動載人艙上升，但這不會是普通的光能夠?qū)崿F(xiàn)的，恐怕需要開發(fā)更強(qiáng)的光能。

空間站是必須的，就像你如果只旋轉(zhuǎn)一條繩子的話很難轉(zhuǎn)起來，但在末端加一個小球就很容易了。事實(shí)上，理想的太空站不是放在同步衛(wèi)星軌道上，而是更高一點(diǎn)的位置，這樣可以使整條纜繩和太空站的重心正好在地球同步軌道上，因此才不會發(fā)生偏離。

Step 3：

克服這些物理難關(guān)

太空電梯原理的關(guān)鍵是離心力，實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵是材料強(qiáng)度。

離心力問題

想想過山車，過山車上升到最高點(diǎn)時(shí)，里面的乘客是頭朝下的，但不會掉下來，為什么？因?yàn)殡x心力抵消了你受到的重力！

鏈球運(yùn)動也是運(yùn)用了離心力

相似的還有一個有趣而形象的例子：一個人抓住繩子的一端，繩子另一端系著一顆球，他使繩子擺動成一個圓圈（好似投擲鏈球的前奏）。在繩子靠近他手心的一端，一只螞蟻沿著繩子爬向系球的一端，只要它不斷向前爬，就可以到達(dá)那個小球上，而不需要火箭一樣的助推力。這就是太空升降機(jī)的原理。

我們的脊柱具有很強(qiáng)的承重能力

如果太空電梯的頂端離地球夠遠(yuǎn)，轉(zhuǎn)動的線速度夠快，那么天梯的頂端就不會掉下來，反而有可能會被甩出去。我們的太空電梯系統(tǒng)由纜繩連接空間站，然后整個系統(tǒng)通過地球的自轉(zhuǎn)甩起來，在3.6萬千米外的太空艙的切向線速度幾乎是26.7萬千米/天。只要甩得夠快，纜繩就會是繃直的，當(dāng)然此時(shí)的纜繩要受到巨大的剪切應(yīng)力和沿繩的拉伸力。比較理想的情況，就如前面說的，是找到一個合適的高度，使電梯系統(tǒng)受到的離心力略大于重力，這樣既可以維持纜繩垂直，又不至于因?yàn)殡x心力太大將電梯甩出去。

纜繩材料問題

建造太空電梯最大的挑戰(zhàn)，在于找到制造電梯纜繩的材料。一根普通的鋼絲從9千米的高空中垂下來會被自重拉斷。3.6萬千米外的太空艙的切向線速度約為26.7萬千米/天。假使太空艙和20名乘客的質(zhì)量為12000千克，那么忽略掉纜繩的質(zhì)量，纜繩的拉力估計(jì)有25萬牛頓的力。此外由于高速運(yùn)動的物體在通過大氣層時(shí)會由于摩擦生熱，所以在設(shè)計(jì)太空電梯的過程中，還要充分考慮到使用耐高溫、高強(qiáng)度的材料。

而碳納米管的發(fā)現(xiàn)，讓人們?nèi)计鹆讼ＭＬ技{米管的柔韌性強(qiáng)、質(zhì)量輕，細(xì)小且強(qiáng)度可與金剛石媲美，并且可制成纖維。據(jù)測算，一根寬1米、薄如紙的納米管纜帶，能支撐13噸的重量。

2014年9月，美國科學(xué)家、賓夕法尼亞州立大學(xué)的化學(xué)教授約翰·巴丁研發(fā)出超細(xì)、超堅(jiān)固的納米線，他說“我們的納米線就像是一個由尺寸最小的鉆石串成的微型項(xiàng)鏈，其中一個最瘋狂的夢想就是將其用于制造超級堅(jiān)固的輕型繩索，讓打造太空電梯的夢想成為現(xiàn)實(shí)?！?p>

碳納米管可能是太空電梯成為現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵

2018年，清華大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種高強(qiáng)度的纖維。他們用僅1立方厘米的碳納米管制成的纖維就能承受160頭大象（超過 800 噸）的重量且不會斷裂，而這根小小的纜繩僅重1.6克。碳納米管是由碳原子組成的圓柱形分子，這些碳原子連接成六邊形，直徑僅為1 納米。其抗拉強(qiáng)度是已知任何材料中最高的，理論上高達(dá) 300千兆帕斯卡。

知識鏈接從我們的身上尋找太空電梯的解決方案

約翰斯·霍普金斯大學(xué)的數(shù)學(xué)家丹·普佩斯庫和機(jī)械工程師肖恩·孫提出，只要建造者能夠從生物身上取經(jīng)，細(xì)致評估相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)制造一批自主維修機(jī)器人，我們完全有可能在不久的將來建造一部太空電梯。他之所以這么認(rèn)為，是因?yàn)樯锷砩嫌兄热嗽旃こ谈泳艿慕Y(jié)構(gòu)，例如人體跟腱和脊柱可以承受非常接近于自身抗拉強(qiáng)度的應(yīng)力，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過工程師允許的鋼材受力極限。其主要原因在于，跟腱和脊椎至少在一定程度上擁有自我修復(fù)能力。

希望未來通過科學(xué)家和工程師們的設(shè)想、論證和實(shí)踐，隨著太空電梯這一技術(shù)的完善，我們能夠安全地進(jìn)入外太空。回望一眼藍(lán)色的星球，這應(yīng)該是一種令人興奮不已的體驗(yàn)！

（責(zé)任編輯/陳瑩 美術(shù)編輯/張小穗）