下一站，太空！

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，現在進入太空的主要工具是運載火箭，它是通過消耗大量燃料來擺脫地球引力的。目前的運載火箭所攜帶燃料的質量要占到火箭總質量的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科學家，航天學之父齊奧爾科夫斯基（Konstantin Tsiolkovsky）提出。他受當時新建的埃菲爾鐵塔的啟發，開始認為，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。

雖然太空電梯造價昂貴，但建成之后的運行費用會比運載火箭低兩個量級，且可以24小時連續運轉。英國的一項測算顯示，用太空電梯運送1個人和貨物的費用相當于航天飛機運費的0.25%。齊奧爾科夫斯基提議在地球靜止軌道上建設一個太空城堡，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輸人和物。

知識鏈接地球靜止軌道

地球同步衛星正運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行時，正好與地球自轉的角速度相同，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：

設計電梯的構造

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想就是將電梯的另一端設置在地球同步軌道上，因為這樣的話，以地球同步衛星（同步衛星都必須在赤道上空）為電梯另一端時，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，因為如今的設計都傾向于使用一條扁長的“纜繩”。由于考慮到受力和節省重量等原因，這條纜帶的粗細也會是變化的——在地球同步軌道處，纜帶所承受的拉力是最強的，因此纜繩在這里最粗，然后向兩端變細。目前大家公認阻撓太空電梯發展的最大因素是纜帶的材質問題。

乘坐過山車時不會掉下來是因為產生的離心力

載人艙也就是相當于電梯轎廂的部分。太空電梯畢竟不是傳統電梯，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，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實現的，恐怕需要開發更強的光能。

空間站是必須的，就像你如果只旋轉一條繩子的話很難轉起來，但在末端加一個小球就很容易了。事實上，理想的太空站不是放在同步衛星軌道上，而是更高一點的位置，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，因此才不會發生偏離。

Step 3：

克服這些物理難關

太空電梯原理的關鍵是離心力，實際應用的關鍵是材料強度。

離心力問題

想想過山車，過山車上升到最高點時，里面的乘客是頭朝下的，但不會掉下來，為什么？因為離心力抵消了你受到的重力！

鏈球運動也是運用了離心力

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。這就是太空升降機的原理。

我們的脊柱具有很強的承重能力

如果太空電梯的頂端離地球夠遠，轉動的線速度夠快，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由纜繩連接空間站，然后整個系統通過地球的自轉甩起來，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，當然此時的纜繩要受到巨大的剪切應力和沿繩的拉伸力。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，又不至于因為離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，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名乘客的質量為12000千克，那么忽略掉纜繩的質量，纜繩的拉力估計有25萬牛頓的力。此外由于高速運動的物體在通過大氣層時會由于摩擦生熱，所以在設計太空電梯的過程中，還要充分考慮到使用耐高溫、高強度的材料。

而碳納米管的發現，讓人們燃起了希望。碳納米管的柔韌性強、質量輕，細小且強度可與金剛石媲美，并且可制成纖維。據測算，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，美國科學家、賓夕法尼亞州立大學的化學教授約翰·巴丁研發出超細、超堅固的納米線，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鏈，其中一個最瘋狂的夢想就是將其用于制造超級堅固的輕型繩索，讓打造太空電梯的夢想成為現實?！?p>

碳納米管可能是太空電梯成為現實的關鍵

2018年，清華大學的研究團隊研發了一種高強度的纖維。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。其抗拉強度是已知任何材料中最高的，理論上高達 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·霍普金斯大學的數學家丹·普佩斯庫和機械工程師肖恩·孫提出，只要建造者能夠從生物身上取經，細致評估相關風險，同時制造一批自主維修機器人，我們完全有可能在不久的將來建造一部太空電梯。他之所以這么認為，是因為生物身上有著比人造工程更加精密的結構，例如人體跟腱和脊柱可以承受非常接近于自身抗拉強度的應力，遠遠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能力。

希望未來通過科學家和工程師們的設想、論證和實踐，隨著太空電梯這一技術的完善，我們能夠安全地進入外太空?；赝谎鬯{色的星球，這應該是一種令人興奮不已的體驗！

（責任編輯/陳瑩 美術編輯/張小穗）