姜靖

“女士們，先生們，歡迎大家搭乘太空電梯。我們第一站將抵達(dá)月球，整個(gè)行程需要五個(gè)小時(shí)，請(qǐng)大家在享受整個(gè)旅程之前，系好安全帶并坐好。在太空電梯上升的過程中，大家可以欣賞玻璃窗外的景色，比如地球的球面變化以及天空將從深藍(lán)色變成黑色，這應(yīng)該會(huì)是你們看到的非常激動(dòng)人心的景觀之一……”

這聽起來像科幻小說里的一個(gè)情節(jié)，但它或許能在某天成為現(xiàn)實(shí)，因?yàn)榭茖W(xué)家們正在考慮建造一個(gè)太空運(yùn)輸系統(tǒng)———太空電梯。

太空電梯，100多年前就被提出

在《圣經(jīng)·創(chuàng)世紀(jì)》中有這樣一則故事———地面與天空用“天梯”連接，人可以通過“天梯”往返天地之間。雅各布做夢(mèng)沿著登天的梯子取得了“圣火”。后人便把這夢(mèng)中的梯子稱為“雅各布天梯”。

太空電梯的概念最早在1895年被提出。當(dāng)時(shí)，俄羅斯火箭專家齊奧爾科夫斯基從巴黎的埃菲爾鐵塔得到靈感，大膽提議從地球的表面到其靜止的軌道高度建一個(gè)“獨(dú)立的塔樓”，并通過一條纜繩和一個(gè)電梯艙，將“塔樓”與地面連接起來，這樣太空飛船就可以不通過火箭發(fā)射進(jìn)入軌道。不過，這在當(dāng)時(shí)看起來簡(jiǎn)直是天方夜譚，甚至有人嘲諷他“不如改行去寫科幻小說”。

不過，自從太空電梯的概念被提出后，確實(shí)也成了科幻小說中常見的創(chuàng)作元素。1978年，被譽(yù)為現(xiàn)代科幻三巨頭之一的阿瑟·克拉克，就曾將這一設(shè)想寫進(jìn)了他的科幻巨著《天堂之泉》。這部小說描繪了在一座熱帶島嶼上，人們可以通過建在赤道上的一座天梯前往太空觀光或運(yùn)送貨物。

2015年世界科幻小說最高獎(jiǎng)“雨果獎(jiǎng)”的獲得者劉慈欣，在其科幻著作《三體》中，也多次提及太空電梯。其中有這樣一段描述：“所有的太空電梯都只鋪設(shè)了一條初級(jí)導(dǎo)軌，與設(shè)計(jì)中的四條導(dǎo)軌相比，運(yùn)載能力小許多，但與化學(xué)火箭時(shí)代已不可同日而語，如果不考慮天梯的建造費(fèi)用，現(xiàn)在進(jìn)入太空的成本已經(jīng)大大低于民航飛機(jī)了。”

不光在文學(xué)界，在現(xiàn)實(shí)社會(huì)中，太空電梯也激發(fā)了科研人員的興趣。特別是隨著人類探索太空步伐的加快，科學(xué)家逐漸沉下心來思索：能否將太空電梯變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)？

“我喜歡這個(gè)異想天開的創(chuàng)意，”倫敦大學(xué)學(xué)院高度、空間和極端環(huán)境醫(yī)學(xué)中心創(chuàng)始人凱文·方在接受采訪時(shí)說，“我能理解人們?yōu)槭裁幢惶针娞莸母拍钗?，我想，如果我們能以廉價(jià)和安全的方式進(jìn)入太空，整個(gè)太陽(yáng)系就會(huì)成為我們的囊中之物?！?/p>

預(yù)計(jì)耗資近百億美元，值得嗎

太空電梯能點(diǎn)燃各國(guó)的研究熱情，成本方面是主因。據(jù)國(guó)際宇航科學(xué)院（IAA）報(bào)告統(tǒng)計(jì)：一旦太空電梯建立，攜帶負(fù)載進(jìn)入太空的成本就可以由每千克20 000美元下降至每千克500美元，足以為人類省下一大筆錢。

這主要因?yàn)椋壳俺Ｓ玫幕瘜W(xué)火箭，燃料占80%的空間，14%為主要結(jié)構(gòu)，只有6%可以載人，發(fā)射以及回收成本高昂。相比之下，太空電梯則擁有體積小、能耗低的優(yōu)點(diǎn)。

而且，加拿大托特技術(shù)公司也估算過，太空電梯應(yīng)用后，航天飛機(jī)的太空飛行成本能節(jié)省大約三分之一，將可以大大提高人類造訪太空的頻率，此舉將開創(chuàng)人類探索太空的新紀(jì)元。為此，目前全球已有數(shù)個(gè)太空電梯項(xiàng)目在加快步伐進(jìn)行。

1991年，碳納米管被日本研究員飯島意外發(fā)現(xiàn)，這種新型材料具有拉伸強(qiáng)度高、抗形變力強(qiáng)等極佳的力學(xué)性能，被科學(xué)家認(rèn)為是制作電梯的最理想的材料。

八年后，受美國(guó)國(guó)家航空航天局（！"#"）資助，洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)所布拉德利·愛德華茲博士制訂出使用新型碳材料制造太空電梯的方案，并發(fā)布了用碳納米管材料制作太空電梯的可行性報(bào)告。他指出，太空電梯的成本為70～100億美元，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于大型的太空項(xiàng)目。

21世紀(jì)，美國(guó)、日本等國(guó)越發(fā)重視對(duì)太空電梯的研發(fā)和建造。2005年3月23日，美國(guó)國(guó)家航空航天局（！"#"）正式宣布太空電梯已成為世紀(jì)挑戰(zhàn)的首選項(xiàng)目。

2012年，新加坡《聯(lián)合早報(bào)》曾報(bào)道：日本大林建設(shè)公司首次完整提出太空電梯計(jì)劃，并聲稱能在2025年開始建造太空電梯，預(yù)計(jì)在2050年完成一個(gè)太空電梯建造項(xiàng)目。該公司所設(shè)計(jì)的太空電梯纜線全長(zhǎng)為地球到月球距離的四分之一，約有9.6萬千米。

2015年8月，英國(guó)《每日郵報(bào)》報(bào)道稱：加拿大的托特技術(shù)公司計(jì)劃建造一個(gè)高度約兩萬米的太空電梯。該公司已獲得一項(xiàng)美國(guó)專利權(quán)用于建造獨(dú)立塔狀結(jié)構(gòu)，可從地球表面向空中延伸至萬米，這個(gè)太空塔的高度是目前世界上最高建筑物（！"#$%&）的20倍。

找到制造材料是特別大的挑戰(zhàn)之一

根據(jù)科學(xué)家們的設(shè)想，太空電梯的主體由五部分構(gòu)成：地面基座、纜繩、電梯艙、太空站以及重量平衡器。

其運(yùn)作模式大致如下：從距離地面3.6萬千米的地球同步衛(wèi)星上“拋”下一根纜繩下垂至地面基站，在引力和向心加速度的相互作用下，纜繩被繃緊；電梯艙則沿著纜繩往來運(yùn)輸人和物；此外，為保持平衡，在太空站遠(yuǎn)離地球的另一側(cè)，也要架設(shè)數(shù)萬千米的纜繩索道，并在纜繩末端連接一個(gè)重量平衡器。整條纜繩全長(zhǎng)約為十萬千米，相當(dāng)于地球到月球距離的四分之一左右。

那么，在現(xiàn)實(shí)中要建造太空電梯，挑戰(zhàn)在哪里呢？

從哥特式大教堂到摩天樓再到太空電梯，在建造任何高層建筑時(shí)，堅(jiān)固度和平衡重心都是兩大關(guān)鍵。不過直到現(xiàn)在，可用于制造太空電梯所需繩索的材料仍屈指可數(shù)。

2014年，Google X的快速評(píng)估研發(fā)團(tuán)隊(duì)也開始太空電梯的設(shè)計(jì)，但最終發(fā)現(xiàn)沒有人制造出超過一米的完美的碳納米管鏈。因此，他們決定把這個(gè)項(xiàng)目“深度凍結(jié)”。

由此來看，建造太空電梯特別大的挑戰(zhàn)之一，在于找到制造電梯纜繩的材料。一根普通的鋼絲從九千米的高空中垂下來會(huì)被自重所拉斷。好在碳納米管的發(fā)現(xiàn)，讓人們?nèi)计鹆讼Ｍ＜?xì)小且強(qiáng)度可與金剛石媲美的碳納米管，居然柔韌性極佳，并且可制成纖維。據(jù)測(cè)算，一根寬一米、薄如紙的納米管纜帶，就能支撐13噸的重量。

2014年9月，美國(guó)科學(xué)家———賓夕法尼亞州立大學(xué)的化學(xué)教授約翰·巴丁在《自然材料》上發(fā)表文章稱，他們研發(fā)出超細(xì)、超堅(jiān)固的納米線，比之前發(fā)現(xiàn)的碳納米管更堅(jiān)固和牢靠?！拔覀兊募{米線就像是一個(gè)由尺寸最小的鉆石串成的微型項(xiàng)鏈，其中一個(gè)最瘋狂的夢(mèng)想就是用于制造超級(jí)堅(jiān)固的輕型繩索，讓打造太空電梯的夢(mèng)想成為現(xiàn)實(shí)?！彼f。

當(dāng)前，太空電梯不再被認(rèn)為是一個(gè)“超前命題”，這個(gè)項(xiàng)目逐漸被美國(guó)航空航天局（！"#"）、歐洲航天局（$#%）等研究機(jī)構(gòu)所接受。由此可見，隨著新材料科學(xué)的發(fā)展，太空電梯不再是那么遙不可及，開始從幻想走進(jìn)現(xiàn)實(shí)。

也許，一旦太空電梯運(yùn)用后，太空旅行就會(huì)成為我們?nèi)粘Ｉ畹囊徊糠郑拖袷鞯陌l(fā)展幫助人類祖先開辟了新棲息地，并改變了生活方式一樣，未來的太空電梯或許也將改寫人類的命運(yùn)。