揭秘太空電梯

馬迪

今年的春節假期我看了三場《流浪地球2》。

對任何一個科學/科技/科幻愛好者來說，《流浪地球2》都是不容錯過的一場精神盛宴，影片中最具視覺沖擊力的場景之一就是直沖天際的太空電梯—旋轉飛升的長鏡頭、細致入微的CG畫面、氣勢恢宏的配樂，共同凸顯了它既真實又虛幻的工業美感。

事實上，太空電梯從來都不是單純的幻想，而是理論上完全可行、實施路徑也極為清晰的一種設備。

太空電梯的概念最早的提出者是“俄羅斯火箭之父”康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基。他受到埃菲爾鐵塔的啟發，在1895年就提出了類似的構想—建造一座35786公里的高塔，直達地球靜止軌道高度，所有沿梯而上的人和物都可以輕而易舉地進入太空。但這么高的建筑物實在是超出了人類工程技術的極限，于是有人想：既然無法自下而上，能不能反其道而行之呢？

1960年，蘇聯工程師尤里·阿爾蘇塔諾夫首次提出可以從靜止軌道衛星向下伸出繩索的方式建設太空電梯。1975年，美國空軍研究實驗室的杰羅姆·皮爾遜再次獨立發明了懸掛纜繩的太空電梯概念，寫成論文發表在了當年的《宇航學報》上。這給科幻作家亞瑟·克拉克帶來了靈感，他寫出了名作《天堂噴泉》，太空電梯的概念也隨之引起了全世界的廣泛關注。

要建造一部太空電梯，你只需要三個主要結構：基座、纜繩和空間站。其中，位于地表的基座必須建在赤道地區，比如電影中選址在加蓬共和國；位于最頂端的軌道站點以及配重裝置，會讓太空電梯的整體重心位于地球靜止軌道上。這時，電梯自身產生的離心力和受地球吸引的重力將處于平衡狀態，系纜被“繃直”，站點與地球保持相對靜止—從地球上看，整個太空電梯穩穩矗立、直通天際，仿佛是地球拋出去的一顆鏈球。

科學原理上一點都不復雜，但工程難度卻大到離譜，最難解決的就是“鏈球”的那根鏈子了。

要知道，無論何種材料，一旦高達3.6萬千米都會產生極大的自重，比如常見的鋼鐵、鋁合金或鈦合金，不到30公里高就會因為自重而斷裂，更不用說這種纜繩還要承受地心引力和離心力的雙重拉扯、經受大氣層內外向它襲來的任何物體的撞擊……我們需要一種極高強度與極低密度特征共存的特種材料。

1991年，日本科學家發現了質量輕、強度高的碳納米管，讓太空電梯看到了希望。碳納米管是石墨中一層或若干層碳原子排列成管狀的分子，直徑只有幾到幾十納米。這種材料是迄今為止發現的最堅硬、最堅固的物質，理論上說，用碳納米管纖維材料造出直徑1毫米的碳納米繩就可以承載60噸的重量。它還具有導電性，無需鋪設額外的電線即可為電梯供電。

遺憾的是，碳納米管的制取非常困難，多數實驗室制備長度只有幾毫米，而且越長越容易出現內部結構缺陷，長度和強度很難兼得。

2013年，清華大學的魏飛教授團隊成功制造出了世界上最長的碳納米管，足有0.5米，這已經是世界紀錄的水平，10年來無人能超越。而太空電梯的纜繩長度至少需要3.6萬千米，差距依然是極其巨大的。

除了上面說到的技術難點之外，太空電梯還面臨著許多威脅，例如大氣環境內的雷擊、颶風，近地的太空垃圾碎片，來自外太空的隕石、太陽風等等。這些都可能導致纜繩斷裂或電梯失事，一旦發生事故，像電影中的空間站墜落，結果將是災難性的。

總而言之，太空電梯對材料學和工程學提出了極大的挑戰，但它的潛力和優勢也是極其誘人的。與火箭相比，太空電梯是一種極其廉價的太空運輸系統，它的推進方式更“溫和”、加速度更低，這意味著大部分普通人，甚至一些無法承受高加速度的科學儀器都可以通過太空電梯進行運輸。同時，太空電梯有更大的載重能力，這將使大規模建設太空定居點和空間站成為可能—這是人類離開地球搖籃進入深遠宇宙的必要條件。

借用電影里的一句話：相信我們的人，一定能完成任務。我也愿意相信，太空電梯在未來一定能幫助人類，實現大規模進入太空的宏愿。