太空天梯離我們有多遠

近日，中國科學家成功制備出單根長度達半米以上的碳納米管，創(chuàng)造了新的世界紀錄。圍繞對這項成果的評論，無不匯聚到一點，即人類離搭建太空天梯的夢想又進了一步。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。作為美國宇航局世紀挑戰(zhàn)的首選項目，太空天梯本世紀真能實現嗎？太空天梯能有多高？搭建太空天梯將會采用哪種方案，又有什么難題要解決呢？

如何把梯子固定住？

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行，那么就正好與地球自轉的速度相同，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，俄國著名學者、現代航天學奠基人之一齊奧爾科夫斯基才提出，可在軌道上設置一個太空城堡，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，在無外力影響時它不會彎曲，能作為通往太空的運輸線。

目前，包括中國在內的一些國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，這都為將來建造太空天梯奠定了一定的技術基礎。

太空天梯的搭建步驟

1999年，美國宇航局馬歇爾研究中心發(fā)表了《天梯：太空的先進基礎設施》的報告，標志著天梯將從幻想走向現實。2005年，美國宇航局正式宣布，太空天梯已成為世紀挑戰(zhàn)的首選項目。以研究天梯而著稱的美國科學家布拉德·愛德華茲所構想的初版天梯預計將在2019年問世，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，天梯費用并不算太大。

愛德華茲是這樣描述天梯的建造過程的：第一步，把一個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，把這個半成品的天梯從航天器上放下來，落到赤道海面的一個平臺上，這個平臺類似一般的海上發(fā)射衛(wèi)星的平臺；第三步，把半成品的天梯錨定在平臺上；第四步，用一個由激光提供能量的爬升器在這個半成品的天梯上上下移動，并把更多碳納米合成纖維纜繩擰在天梯半成品上，進一步完善天梯。整個制造過程大約需要兩年半的時間。另外，根據專家設想，天梯也可由電磁能驅動。建成后的這個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送到離地面約3.6萬千米高的地球靜止軌道上，用時約需7.5天，回來也需要同樣長的時間。

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

如何防止天梯掉下來

當航天器在地球靜止軌道上以每秒3.07千米的速度運行時，其產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，兩種力達到平衡狀態(tài)，故航天器不會掉下來。若從航天器伸展纜繩到地球赤道海面上組成一個天梯，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4000千米高的點上，實際需要的環(huán)繞速度為每秒6.2千米。若天梯上每一段所產生的離心力無法與地球引力相平衡，最終整個天梯受到一個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的同時逐漸降低高度，最后結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呢？辦法就是從地球靜止軌道的航天器上再向上建造一個上天梯，使其產生的離心力合力能夠平衡下天梯受到的地球引力的合力。根據計算，當上天梯的高度為10.8萬千米時，向上的合力就與35786千米長的下天梯受到的向下的合力相平衡了，這樣總高度為14.3786萬千米的整個天梯就不會墜地了。

由于上天梯受向上的拉力，下天梯受向下的拉力，整個天梯就像兩頭受拉的纜繩一樣，被繃得緊緊的，不會彎曲，即使受到某種擾動而發(fā)生彎曲，也能自動恢復到直線狀態(tài)。同時，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，上、下天梯必須堅持同步進行，以便使其任何時候所受到的向上和向下的兩個力都能保持平衡。唯有如此，才能逐步完成這項人類歷史上空前的宏偉工程。

日本的太空天梯方案

日本大林公司所設計的太空電梯纜繩全長為地球到月球距離的四分之一，約有9.6萬千米。實施辦法是，在距離地球赤道上空約3.6萬千米處發(fā)射一顆靜止衛(wèi)星，從上垂下一條碳納米材質的纜繩，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預定點上，上端則系著一個起平衡作用的鉛墜。正因為其上端系著一個具有一定質量的鉛墜，在環(huán)繞地球運行過程中能夠產生較大的離心力，故而上天梯的高度才由10.8萬千米降為6萬千米，致使天梯纜線全長由本來需要的約14.4萬千米縮短至9.6萬千米。

天梯纜繩的中間部位即距離地面3.6萬千米處將由靜止衛(wèi)星擴建成一個空間站，站內將建設實驗設施及居住空間，可供工作人員和旅客駐留。這里是普通旅行者的終點站，而研究人員和專家可以繼續(xù)前行，一直到纜線盡頭。空間站周邊設施將利用太陽能發(fā)電，除供站內用電外，還會向地面輸送電力。

【責任編輯】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、堅硬，可承受超強壓力，同時還要能夠耐腐蝕。科學家們一直苦苦尋找這種材料， 1991年，日本科學家在制備巴基球的過程中終于發(fā)現了碳納米管。碳納米管是使用一種特殊的方法，讓碳原子形成長鏈而生長出的超細管子，細到5萬根碳納米管并排起來才有一根頭發(fā)絲寬。

碳納米管是目前人工合成新材料中力學性能最好的，遠遠超過其他材料。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，要實現登上天梯的夢想，需要批量制備出單根長度達到米級甚至千米級以上的碳納米管。對于碳納米管來說，增加1厘米長度都來之不易。因為在碳納米管的高溫生長過程中，催化劑會失活，從而限制了碳納米管的生長。提高碳納米管長度的唯一方法是盡可能提高催化劑的活性率。中國科學家最近首次將生長每毫米長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度超過半米的碳納米管。這些碳納米管具有完美的結構、優(yōu)異的力學性能和宏觀的長度，這為今后研制更長的碳納米管奠定了基礎。

這種超長碳納米管已經接近理論最高值的拉伸強度，可以真正和鋼鐵、鈦合金等材料同場競技，進入應用領域，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)壽命可達上萬次的超級電容、可貼在墻上薄如紙的顯示器等。

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