揭秘太空电梯

马迪

今年的春节假期我看了三场《流浪地球2》。

对任何一个科学/科技/科幻爱好者来说，《流浪地球2》都是不容错过的一场精神盛宴，影片中最具视觉冲击力的场景之一就是直冲天际的太空电梯—旋转飞升的长镜头、细致入微的CG画面、气势恢宏的配乐，共同凸显了它既真实又虚幻的工业美感。

事实上，太空电梯从来都不是单纯的幻想，而是理论上完全可行、实施路径也极为清晰的一种设备。

太空电梯的概念最早的提出者是“俄罗斯火箭之父”康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基。他受到埃菲尔铁塔的启发，在1895年就提出了类似的构想—建造一座35786公里的高塔，直达地球静止轨道高度，所有沿梯而上的人和物都可以轻而易举地进入太空。但这么高的建筑物实在是超出了人类工程技术的极限，于是有人想：既然无法自下而上，能不能反其道而行之呢？

1960年，苏联工程师尤里·阿尔苏塔诺夫首次提出可以从静止轨道卫星向下伸出绳索的方式建设太空电梯。1975年，美国空军研究实验室的杰罗姆·皮尔逊再次独立发明了悬挂缆绳的太空电梯概念，写成论文发表在了当年的《宇航学报》上。这给科幻作家亚瑟·克拉克带来了灵感，他写出了名作《天堂喷泉》，太空电梯的概念也随之引起了全世界的广泛关注。

要建造一部太空电梯，你只需要三个主要结构：基座、缆绳和空间站。其中，位于地表的基座必须建在赤道地区，比如电影中选址在加蓬共和国；位于最顶端的轨道站点以及配重装置，会让太空电梯的整体重心位于地球静止轨道上。这时，电梯自身产生的离心力和受地球吸引的重力将处于平衡状态，系缆被“绷直”，站点与地球保持相对静止—从地球上看，整个太空电梯稳稳矗立、直通天际，仿佛是地球抛出去的一颗链球。

科学原理上一点都不复杂，但工程难度却大到离谱，最难解决的就是“链球”的那根链子了。

要知道，无论何种材料，一旦高达3.6万千米都会产生极大的自重，比如常见的钢铁、铝合金或钛合金，不到30公里高就会因为自重而断裂，更不用说这种缆绳还要承受地心引力和离心力的双重拉扯、经受大气层内外向它袭来的任何物体的撞击……我们需要一种极高强度与极低密度特征共存的特种材料。

1991年，日本科学家发现了质量轻、强度高的碳纳米管，让太空电梯看到了希望。碳纳米管是石墨中一层或若干层碳原子排列成管状的分子，直径只有几到几十纳米。这种材料是迄今为止发现的最坚硬、最坚固的物质，理论上说，用碳纳米管纤维材料造出直径1毫米的碳纳米绳就可以承载60吨的重量。它还具有导电性，无需铺设额外的电线即可为电梯供电。

遗憾的是，碳纳米管的制取非常困难，多数实验室制备长度只有几毫米，而且越长越容易出现内部结构缺陷，长度和强度很难兼得。

2013年，清华大学的魏飞教授团队成功制造出了世界上最长的碳纳米管，足有0.5米，这已经是世界纪录的水平，10年来无人能超越。而太空电梯的缆绳长度至少需要3.6万千米，差距依然是极其巨大的。

除了上面说到的技术难点之外，太空电梯还面临着许多威胁，例如大气环境内的雷击、飓风，近地的太空垃圾碎片，来自外太空的陨石、太阳风等等。这些都可能导致缆绳断裂或电梯失事，一旦发生事故，像电影中的空间站坠落，结果将是灾难性的。

总而言之，太空电梯对材料学和工程学提出了极大的挑战，但它的潜力和优势也是极其诱人的。与火箭相比，太空电梯是一种极其廉价的太空运输系统，它的推进方式更“温和”、加速度更低，这意味着大部分普通人，甚至一些无法承受高加速度的科学仪器都可以通过太空电梯进行运输。同时，太空电梯有更大的载重能力，这将使大规模建设太空定居点和空间站成为可能—这是人类离开地球摇篮进入深远宇宙的必要条件。

借用电影里的一句话：相信我们的人，一定能完成任务。我也愿意相信，太空电梯在未来一定能幫助人类，实现大规模进入太空的宏愿。