14天可到月球，61天可到火星！“太空電梯”夢(mèng)想還有多遙遠(yuǎn)？

小說(shuō)《三體》中的“太空電梯”令人神往，只要進(jìn)入電梯，按下按鈕，嗖地一下就到了太空。這種太空電梯的夢(mèng)想由來(lái)已久。1895年，俄羅斯科學(xué)家齊奧爾科夫斯基見到埃菲爾鐵塔后提出了太空電梯的設(shè)想。1979年科幻大師克拉克在小說(shuō)《天堂的噴泉》中也描繪了太空電梯。

國(guó)際太空電梯聯(lián)盟主席彼得·斯旺也曾說(shuō)，未來(lái)太空電梯作為永久性物流基礎(chǔ)設(shè)施，可將物資和人員運(yùn)到太空，成為進(jìn)入太空的新通道。他還進(jìn)一步研究指出，月球和火星由于重力水平比地球小，空氣更加稀薄或者真空，建造難度比地球上更小，未來(lái)14天可到月球，61天可到火星。

接下來(lái)我們就要問(wèn)，太空電梯技術(shù)進(jìn)展到什么階段，什么時(shí)候可以實(shí)現(xiàn)了呢？如果說(shuō)一個(gè)想法，其技術(shù)成熟度由科幻到現(xiàn)實(shí)分為從0到9共10個(gè)階段，我們現(xiàn)在處于第二階段。超越了科幻階段（第0階段），提出了科學(xué)上可行的原理，計(jì)算了可行的主要技術(shù)指標(biāo)。后面還需要開展關(guān)鍵技術(shù)和系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，最后是實(shí)際建造。由此可見，還有很長(zhǎng)的路要走。

配圖來(lái)自圖蟲網(wǎng)

那么，關(guān)于這個(gè)太空電梯可行的科學(xué)原理，具體是什么樣的呢，又包括哪些結(jié)構(gòu)組成？

太空電梯的本質(zhì)是建設(shè)一個(gè)永久性的“纜繩”式建筑，將地面與太空上的某一點(diǎn)連接起來(lái)。如果這個(gè)纜繩建筑低于36000公里，那么它內(nèi)部將受到壓力作用。假設(shè)用鋼材來(lái)建造，只能建造大約9公里高，也就是大約飛機(jī)飛行的高度，更高的話，在巨大的壓力下，底部的鋼材就會(huì)被壓垮了。但是各種材料賴?yán)斓哪芰?，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)賴壓的能力。所以就提出約5萬(wàn)公里長(zhǎng)的太空電梯方案，該方案類似于運(yùn)動(dòng)員拋鏈球，地球就相當(dāng)于鏈球運(yùn)動(dòng)員，在地球赤道位置固定一根5萬(wàn)公里的纜繩，末端是個(gè)鏈球，由于地球的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，鏈球和纜繩的旋轉(zhuǎn)離心力，與它們受到的地球引力相平衡。

所以整個(gè)太空電梯系統(tǒng)由四大部分組成，一是錨定赤道表面的基站，二是長(zhǎng)度約5萬(wàn)公里的纜繩，三是位于5萬(wàn)公里高處的平衡配重，這個(gè)配重可以是個(gè)空間站，第四個(gè)就是沿著纜繩上下、快速運(yùn)行的電梯梯箱。

有人估計(jì)，建造太空電梯的成本約100億美元，但是建成以后，運(yùn)送1公斤物體進(jìn)入太空的成本只需要100美元，運(yùn)送成本比運(yùn)載火箭低100倍，只要運(yùn)送1000噸物體進(jìn)入軌道，太空電梯的建造成本就賺回來(lái)了。應(yīng)用前景這么美好，為什么不趕快建設(shè)呢？

這是因?yàn)檫€存在很多技術(shù)難點(diǎn)。最大的難點(diǎn)是，需要足夠強(qiáng)度的材料，碳納米管和超強(qiáng)石墨烯被認(rèn)為是建造太空電梯纜繩的理想材料，它們的強(qiáng)度已經(jīng)足夠，但是只能在實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)出不到1米長(zhǎng)的碳納米管，離5萬(wàn)公里長(zhǎng)還有太大的距離，真的是萬(wàn)里長(zhǎng)征走了還不到一步。此外，還有很多細(xì)節(jié)問(wèn)題有待解答：太空電梯車廂選擇何種驅(qū)動(dòng)模式？5萬(wàn)公里長(zhǎng)的纜繩如何有效抗擺動(dòng)？太空電梯遇到空間碎片和流星體撞擊怎么辦？

總之，要坐太空電梯進(jìn)入太空，目前還在理論原理階段，離真正的工程實(shí)施，還有很多技術(shù)難題需要攻克！

本文為科普中國(guó)·星空計(jì)劃扶持作品

作者：周炳紅

審核：劉勇

出品：中國(guó)科協(xié)科普部

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