太空電梯為《流浪地球2》震撼開篇，科學家們曾這樣嚴謹討論過它的可能性

《流浪地球2》中的太空電梯被影迷們熱議，人類真能像科幻小說中描繪的那樣，用坐電梯的方式輕松抵達太空“彼岸”嗎？

在兔年新春佳節(jié)之際，最新一部國產(chǎn)科幻題材影片《流浪地球2》在萬眾期待中震撼上映，相比于4年前創(chuàng)造了中國科幻全新里程碑的《流浪地球》，作為續(xù)篇的《流浪地球2》更是將硬核科幻的風格拉滿，通過宏大震撼的特效鏡頭持續(xù)沖擊著觀眾們的感官.而在電影開篇就出現(xiàn)的直通天際的太空電梯，其功能之強大、特效之逼真、細節(jié)之詳實、場面之壯闊，更是成為被影迷們熱議的情節(jié)之一。

（來源：《流浪地球2》預告片中出現(xiàn)的太空電梯）

太空電梯這個科幻概念，其實算是劉慈欣作品中的常客了。在家喻戶曉的《三體》中，大劉就詳細地描述過這種幫助人類升入太空的奇特設備?！读骼说厍?》中，劇組更是用具象化的鏡頭語言將之完整地呈現(xiàn)在觀眾眼前。

其實，“太空電梯”本身其實并非只是一個純科幻概念，更是科學家和工程師們努力實現(xiàn)的一個方向。很多時候，科幻與科學的邊界就是這樣顯得朦朧，人類真得會像科幻小說中描繪的那樣，用坐電梯的方式輕松抵達太空“彼岸”嗎？

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被科學家啟迪的科幻作家們

在《流浪地球2》中太空電梯正式亮相銀幕2個月前召開的2022空間技術和平利用（健康）國際研討會上，國際太空電梯聯(lián)盟主席、國際宇航科學院院士彼得·斯旺提出，未來太空電梯作為永久性物流基礎設施，可將物資和人員運到太空，成為進入太空的新通道。而縱觀歷史，雖然太空電梯一直是不少科幻作家津津樂道的話題，并在相當多的科幻作品中以不同形式登場，但在探索“太空天梯”上，以嚴謹著稱的科學家是要遠遠走在小說家之前的。

▲英國作家亞瑟 · 克拉克爵士在科幻小說《天堂的噴泉》中首次描繪了 “登天電梯”

早在1895年，俄羅斯火箭專家與航天先驅齊奧爾科夫斯基在參觀法國巴黎的埃菲爾鐵塔時，就受到鐵塔建設的啟發(fā)，提出在地面上建設一座直抵地球同步軌道的超高型鐵塔，以架設電梯的方式實現(xiàn)進入外層空間。他還對這種鐵塔作了詳細設計，并計算出塔的高度為 35786 公里。齊奧爾科夫斯基這種類似于圣經(jīng)中通天塔的設計是“太空電梯”的濫觴。不過在經(jīng)過一系列計算后，他得出的結論是：建設這樣一座超高型鐵塔是不可能實現(xiàn)的。

20 世紀 60 年代，隨著人類首次進入太空，建設太空電梯進入太空的想法再次被科學家提了出來。蘇聯(lián)工程師尤里 · 阿爾楚塔諾夫就設想建設一條空地間的“電力火車”來實現(xiàn)太空物流運輸，與齊奧爾科夫斯基單純地從地面用鋼結構建設高塔的想法不同，他提出了從太空向地面建設的方案，即先發(fā)射一顆地球同步衛(wèi)星，然后從衛(wèi)星上伸出繩索垂到地面上，在地面一端固定后形成“電力火車” 的運行軌道。

1970 年，美國科學家杰羅姆·皮爾森首次將“太空電梯”的概念理論化，并將他的相關論證成果發(fā)表在《太空工程學報》上。與蘇聯(lián)的“電力火車”方案類似，皮爾森設想從太空的人造飛行器上“垂下”幾條特殊材質、抗拉強度高的纜繩伸到地面，作為太空電梯的主體結構，以這種類似于“拖拽風箏”的方式實現(xiàn)電梯登天。皮爾森這一想法基本奠定了此后太空電梯在學界的演變方向。隨后，皮爾森又將這一概念推廣到月球，他在一次學術會議上詳細論證了地月太空電梯的想法，并把太空電梯的主體結構總結為“空間線”的概念，在皮爾森的設想中，未來“空間線”是用凱夫拉纖維或其他高強度材料制成的僅比鉛筆芯稍粗的纖細纜繩。

▲暮年的皮爾森與他的太空電梯設想（圖片來源：the Washington Post）

雖然皮爾森用了相當復雜的科學理論去論證太空電梯在未來的可行性和其相對于運載火箭的低成本。但自人類進入太空時代以來，火箭才是唯一在技術上可行的登天載具。雖然皮爾森的科學論證得到了學界的廣泛關注，但太空電梯實在是一個遠超越時代的概念，因此他本人還曾被同行用“不如去寫科幻小說”這類的尖酸話語嘲諷。有趣的是，皮爾森的想法卻真正影響到了科幻小說界，當時客居斯里蘭卡的英國作家亞瑟 · 克拉克爵士就是受到他關于“空間線”的啟發(fā)，在1979年發(fā)表的科幻小說《天堂的噴泉》中首次描繪了 “登天電梯”。

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難以逾越的技術難關

在太空競賽的歲月，人們不遺余力地提高運載火箭的推力和載荷，以期實現(xiàn)更高效的太空運輸。雖然火箭的建造與運營成本巨大，但相比于太空電梯，火箭最大的優(yōu)勢在于“技術可行性上”，從液體 / 固體燃料發(fā)動機，到氣動力外形再到導航通信，火箭作為一套系統(tǒng)性工程已經(jīng)被反復實踐了幾十年。盡管皮爾森及其他擁護者不厭其煩地論證太空電梯的便利性與經(jīng)濟性，但在當時看來，從紙面數(shù)據(jù)付諸工程實踐，太空電梯本身仍然存在太多無法攻克的難題。

（來源：《流浪地球2》電影海報局部）

最大的挑戰(zhàn)還是電梯的材料問題。從齊奧爾科夫斯基的超高型鐵塔開始，為了抵消地球自轉帶來的影響，保證太空電梯相對地面設施不發(fā)生位移，科學家在論證太空電梯時，都把建設地點鎖定在地球同步軌道上。

根據(jù)皮爾森設想中的太空電梯，如果使用普通的鋼索作為主體材料，那么如果從地球同步軌道向地面垂下這樣一根鋼索，不到 9000 米的地方鋼索就會被自身重量拉斷，而地球同步軌道距離地面可有超過 3 萬公里之遠。而皮爾森在論證“空間線” 這一概念時，只是模糊地提出用高強度材料作為太空電梯的主體結構。具體使用哪種纖維材料，在當時是從論證階段就無法逾越的難題。

其次，從地球同步軌道通向地面，需要穿過 1000 公里以上的大氣層，對流層復雜的氣候條件、平流層的隨高度增加升高的氣溫等等，加上來自月球和太陽的引力作用，都直接或間接考驗著太空電梯的穩(wěn)定性。另外，在搭乘電梯奔向太空時，乘客會穿過地球外層的高強度輻射帶，如何保護乘客不受影響則是另一個工程難題。

▲皮爾森最初的太空電梯想象圖（圖片來源：STAR.INC）

此外，考慮到太空電梯一端需要“系”在地球同步軌道上，另一端就需要在地球赤道附近架設基站，如何為基站選址也存在困難。赤道一帶的陸地多是熱帶雨林，建設電梯基站非常不易，而且從交通運輸成本上考慮也不劃算，那么就只能在公海上建設浮動基站，皮爾森及其后來者就提出過類似的想法，但如何在復雜海況下保證如此巨大的電梯基站穩(wěn)定運行亦是難題。

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未來的一線曙光

進入上世紀 90 年代以來，材料科學獲得了一系列重大突破，這讓太空電梯的支持者們看到了解決材料難題的曙光。1993 年，碳納米管誕生，并在兩年后實現(xiàn)了量產(chǎn)，這種強度高（與金剛石類似）、柔韌性好，并可制成纖維的材料，非常適合制作皮爾森提出的“空間線”。作為已知世界上強度最高的材料之一，碳納米管本征拉伸強度高達 100GPa （壓強單位，即吉帕斯卡，1 GPa=1000 000 000Pa）, 單位質量的拉伸強度是鋼鐵的 276 倍，理論上完全可以做到“四兩撥千斤”的效果，非常契合皮爾森“空間線僅比鉛筆芯稍粗”的設想。

當然，以人類目前碳納米管的制作技術，距離將其應用在太空電梯建造上尚有很遠的距離。比如，由于制備碳納米管所用的催化劑容易在高溫環(huán)境下失去活性，這就導致碳納米管的長度受到很大限制。而太空電梯所需要的線纜長度可是要超過 3 萬公里。不過在碳納米管這個前進方向上，各國都在努力探索，其中我國在近年來就取得了重大突破。

▲在2010年國家太空電梯會議上，參觀未來太空電梯設計方案的前蘇聯(lián)工程師尤里·阿爾楚塔諾夫（圖片來源：the space elevator blog）

2013 年，在對超長碳納米管生長機理、結構可控制備、性能表征等方面開展大量研究后，由清華大學化工系教授魏飛所帶領的科研團隊首次制備出世界上首個單根長度達半米以上的碳納米管，創(chuàng)造了新的世界紀錄。這就為未來制造太空電梯所需的線纜創(chuàng)造了可能。魏飛教授就曾談道 ：“我們所制備的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， 目前我們正在從事一米以上碳納米管的制備，下一步我們希望能夠制備出公里級以上長度并具有宏觀密度的碳納米管。這些工作將為太空電梯的制備開啟一線曙光！”

正是近年來一些尖端科技連續(xù)取得重大突破，原本只是在科學與科幻之間閃轉騰挪的太空電梯開始被科學家?guī)牍こ淘O計藍圖之中。1999 年，美國國家航空航天局（NASA）的馬歇爾研究中心發(fā)表了題為《太空電梯，太空的先進基礎設施》的報告，從官方的視角對太空電梯的可行性進行詳細論證，這是“太空電梯”這一概念首次獲得官方認可。

▲美國國家航空航天局公布的未來太空電梯設想圖（圖片來源：NASA）

此后 , 從各大宇航官方機構，到眾多有志于投資航天事業(yè)的企業(yè)，紛紛推出自己的太空電梯計劃，比如俄羅斯就曾計劃與歐洲太空署合作建造太空貨運天梯，美國則專門成立了名為 Lift Port Group 的公司專門進行太空電梯的研發(fā)，日本也公布了天梯纜繩設計方案。

當然，目前所提出的這些太空電梯的設計方案，在技術上還存在相當多的難題，但人類畢竟已經(jīng)在運載火箭之外，開拓了另外一條連接太空與地球的思路。相信隨著技術不斷迭代發(fā)展，相關難點逐步迎刃而解，像《流浪地球2》中太空電梯向太空運輸人員與物資的震撼場面，或許離我們并不遙遠了。

（來源：《流浪地球2》電影海報局部）

出品：科普中央廚房

監(jiān)制：北京科技報 | 北科傳媒

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