穆勒家保姆

“女士們，先生們，太空電梯即將到達失重空間站， 請做好準備， 從右側梯門下梯。”“Ladies? andgentelmen， we are approaching space station. Pleaseprepare to get off the elevator. The? door will be open atthe right side.”如果我說，有一天你將親耳聽見這樣的播報聲，你相信嗎？

太空電梯的緣起

20世紀初，被譽為“航天之父“的俄國科學家康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基提出過幾大構想：火箭使用液體燃料；宇宙空間中反作用力是移動的唯一方法；將兩節(jié)以上的火箭串聯(lián)起來，組成一列多級火箭，以此提高火箭的速度。在100多年后的今天，這些設想都已經(jīng)成為航天領域的重要應用。

然而， 他在1895年提出的一個設想?yún)s至今仍未實現(xiàn)。他提議在地面上建設一座超高的鐵塔，將之一直建到地球同步軌道為止，在鐵塔內架設電梯，這樣人類便可以搭乘電梯進入外太空。這，便是太空電梯最初的設想。

齊奧爾科夫斯基是在參觀了法國埃菲爾鐵塔后受到啟發(fā)，提出了太空電梯的設想！但是，地球同步軌道距離我們約3.6萬千米，目前世界上最高的建筑是位于迪拜的哈利法塔，高度卻只有828米。這樣一看，似乎太空電梯的設想是無法實現(xiàn)了。別急！我們先來想想怎么解決這個難題！

如果一時半會兒沒有思路的話，先試著回答下面這個問題：假如要把一只風箏放到250米的高空，除了在地面上奔跑，不斷放長線繩，將風箏放飛到空中外，還能怎么做？你可以坐直升機到空中更高的位置，將風箏扔出，然后慢慢放線，讓風箏到達離地面250米的半空。

同樣的，我們想要建造一座直達外太空的電梯，最重要的就是需要提供繩索和軌道，那么，既然從地面向上建造不現(xiàn)實，我們是否能從太空中“扔”下繩索？我們可以先發(fā)射一顆地球同步衛(wèi)星，然后從衛(wèi)星上將繩索“垂”到地面，在地面將其固定，這樣便形成了太空電梯的運行軌道。如今的太空電梯計劃，正是基于這種逆向思維展開的。

大林組的太空電梯計劃

在眾多太空電梯計劃中，日本著名建筑公司大林組在2012年宣布的太空電梯計劃格外受世人關注。

2012年2月，擅長建高塔的大林組宣布要投資100億美元建設太空電梯，預計電梯時速200千米，單程需要7天抵達目的地。大林組計劃于2025年左右在赤道附近的海上開工，于2050年左右落成運營。然而，10年過去了，該項目的運行似乎并不順利，就連大林組一直參與太空電梯研發(fā)的高級工程師石川洋二都坦言，這個項目越開展越困難。

首先，不考慮一切外部因素，太空電梯主要由4個部分構成：電梯的廂體，廂體上下運行所需的纜繩、軌道，在地球上固定纜繩的海上基地以及配重。前面三個似乎很容易理解，但為什么還需要配重呢？

回到剛才的太空電梯設想中，我們要從同步衛(wèi)星上“扔”下纜繩，將其一直“垂”到地球上，可隨著纜繩的逐漸下降，纜繩的重量會對地球同步衛(wèi)星產(chǎn)生面向地心的拉力。也就是說，纜繩在下降的過程中，會把原本穩(wěn)定的同步衛(wèi)星給“拽”下來。為了解決這個問題，我們在下放纜繩的同時，必須想辦法同步抵消這種拉力。

但新的問題又來了，纜繩實際上并非處于靜止狀態(tài)，而是隨著同步衛(wèi)星在高速轉動，在此過程中，纜繩很可能會斷裂。太空電梯對材料抗拉能力的要求非常苛刻，即便用鋼來做纜繩，也會在強大的引力作用下變形。至此，如何找到密度小、抗拉強度大的材料成為棘手的問題。

破解纜繩難題

目前，最有可能滿足上述要求的材料是碳納米管——由碳原子組成的管狀結構的納米材料，這是目前已知的理論上力學強度最高且韌性最好的材料。

碳納米管的密度大約是1700kg/m2，如果用碳納米管做太空電梯的纜繩，碳納米管的抗拉強度至少要達到9 0GPa。目前，我們能夠在實驗中合成的碳納米管的抗拉強度可以達到200GPa，對于具有理想結構的單壁碳納米管而言，其抗拉強度甚至可以達到800GPa。這樣看來，只要生產(chǎn)出足夠長的碳納米管，問題似乎就能迎刃而解。

然而，太空電梯的探索之路注定崎嶇不平。雖然自1991年日本科學家飯島澄男發(fā)現(xiàn)并命名了碳納米管之后，許多研究團隊重新拾起了太空電梯計劃，但大家很快就發(fā)現(xiàn)，受制備工藝所限，實際能夠制備出的碳納米管非常有限，且存在結構缺陷。太空電梯的探索之路又遇障礙。

2013年，清華大學魏飛教授及其團隊的相關研究，使太空電梯計劃迎來了一線曙光。該團隊提高了生產(chǎn)碳納米管的催化劑活性概率，并成功制備出了單根長度超過半米且具有完美結構的碳納米管。目前，他們正在研制長度在千米級以上的碳納米管。

碳納米管的窘境

如果要將碳納米管用于太空電梯項目，就必須考慮其耐久性。為了檢驗碳納米管的耐久性，日本大林組于2015年將碳納米管樣品送到了位于地表上空400千米左右的日本實驗艙內。樣品被放置在太空中兩年后，又被重新帶回地球。研究人員分析后發(fā)現(xiàn)，碳納米管的表面已受損。

要知道，400千米高空屬于大氣層中的電離層，空氣極其稀薄，即便是這樣，兩年時間里碳納米管已遭到破壞?？梢韵胂螅┞对趯α鲗觾鹊睦|繩會面臨更加嚴峻的考驗。

提高纜繩耐久性方面的研究雖然困難重重，但從未停止。當然，除了耐久性問題的探索以外，還有很多難題有待解決。例如，如何確保電梯廂體具有足夠的動力支持，可以一直從地面升到太空站？再比如，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？等等。

太空電梯的遙想

既然建造太空電梯這么困難，為什么我們還要執(zhí)著于這個設想呢？

在目前的國際商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射中，每千克載荷的運輸成本在0.2萬～2萬美元之間。一趟太空旅行至少需要10萬美元。假設太空電梯可以建設成功，不考慮初期的建設成本，根據(jù)日本大林組的預估，每千克載荷的運輸成本約為200美元。也就是說，建成太空電梯后，不僅太空觀光成為可能，人類還能夠實現(xiàn)低成本在地球和太空間運輸物資。這，也許會成為人類太空探索史上最動人心魄的轉折點！

仰望天空，自由暢想。也許終有一天，人類會看到一座宏大的天梯，穿過遙遠的云層，以摧枯拉朽之勢沖向地表，縱貫天地，艷絕古今。

本文轉自微信公眾號“中科院物理所”