百科：太空天梯

“太空天梯”這種東西，大家一定在科幻作品中見過。這種連接地球與太空的軌道，仿佛離生活非常遙遠(yuǎn)，就像是一種荒謬的存在。但科學(xué)家們卻表示：太空天梯真的可能實(shí)現(xiàn)，它是人類新的太空夢(mèng)。
　　20世紀(jì)90年代，人類發(fā)明了碳納米管，這是一種輕巧、剛硬、堅(jiān)韌的材料，被科學(xué)界視為“太空天梯”中軌道電纜的最理想材料。隨著碳納米管技術(shù)的發(fā)展，人類的登梯游太空夢(mèng)將一步步照進(jìn)現(xiàn)實(shí)。
　　登天“鑰匙”出現(xiàn)
　　1979年，英國(guó)著名科幻大師阿瑟·克拉克在小說(shuō)《天堂之泉》中，首次提出了“太空天梯”的概念，它大膽又充滿想象力。

　　隨著人類探索太空步伐的加快，科學(xué)家們開始認(rèn)真考慮，能否研制出天梯，實(shí)現(xiàn)太空與地球間物資更便捷地交換？
　　1991年，日本科學(xué)家飯島意外發(fā)現(xiàn)了碳納米管，其力學(xué)性能極佳，有著極高的拉伸強(qiáng)度、極強(qiáng)的抗形變力和斷裂伸長(zhǎng)率。它輕巧、堅(jiān)韌又剛硬?？茖W(xué)家們表示，碳納米管便是制作天梯的最理想材料。
　　1999年美國(guó)航空航天局資助了布拉德利·愛德華茲博士所在的洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)所，要求他制訂出使用新型碳材料制造太空天梯的方案。他為此進(jìn)行了研究，并發(fā)布了用碳納米管材料制作太空天梯的可行性報(bào)告。
　　布拉德·愛德華茲博士指出“太空天梯”的成本為70～100億美元，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于大型的太空項(xiàng)目。英國(guó)一項(xiàng)測(cè)算也顯示，太空天梯的運(yùn)送成本僅占常用航天器的0.25%。而且它一旦建成，將大大提高人類造訪太空的頻率，也將開啟人類探索太空的新紀(jì)元。2005年3月23日，美國(guó)航空航天局正式宣布太空天梯已成為世紀(jì)挑戰(zhàn)的首選項(xiàng)目。
　　碳納米管：一種由碳元素構(gòu)成的中空管狀納米級(jí)超細(xì)纖維。它重量輕，具有完美連接的六邊形結(jié)構(gòu)，還有許多超常的力學(xué)、電學(xué)和化學(xué)性能。如其在單位質(zhì)量上的拉伸強(qiáng)度是鋼鐵的276倍，遠(yuǎn)超其他材料。
　　“太空天梯”計(jì)劃書
　　21世紀(jì)初，愛德華茲經(jīng)過幾年的研究后，給美國(guó)航空航天局?jǐn)M訂了一份關(guān)于太空天梯的詳細(xì)計(jì)劃。他在計(jì)劃書中建議將兩根5至10英寸寬的碳納米管纜繩運(yùn)到赤道上空約35000千米的地球同步軌道，系在地球同步衛(wèi)星上，然后讓兩根纜繩的另一端飄回地面，與太平洋中一個(gè)類似石油鉆探平臺(tái)的設(shè)施相連。
　　接著，將系在衛(wèi)星上的纜繩向地球外上升到約69.9萬(wàn)千米的太空，兩根纜繩的中心點(diǎn)應(yīng)一直保持在地球同步軌道上。然后，讓裝有接觸踏板的“車廂”在激光能源的推動(dòng)下，從地球表面沿纜繩向上攀爬，從而像拉鏈一樣將兩根纜繩黏合到一起。
　　隨后，另外229個(gè)這樣的“車廂”將更多的碳納米纖維結(jié)合到一起，形成一根寬約1米的纜繩。這樣，太空天梯便建成了。
　　使用太空天梯時(shí)，一列載重13噸的“車廂”將貨物或人員以每小時(shí)201千米的速度沿太空天梯上升。經(jīng)過7天后，“車廂”抵達(dá)地球同步軌道。開始時(shí)，可把第一批抵達(dá)太空的貨物和人員停放在儲(chǔ)存軌道上，隨著越來(lái)越多的太空天梯得以建成，運(yùn)營(yíng)成本將進(jìn)一步降低，而且貨物和人員可以實(shí)現(xiàn)上下循環(huán)，來(lái)往自如。
　　在幾列太空天梯開始滿負(fù)荷運(yùn)行后，人類便可以利用這種廉價(jià)而便利的交通工具開發(fā)更大規(guī)模的零重力制造業(yè)、太空旅游業(yè)，更好地對(duì)地球環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，清除地球軌道上的人造太空垃圾，在小行星上采礦，以及做各種各樣的其他的工作。
　　愛德華茲的太空天梯計(jì)劃，不僅開創(chuàng)了太空天梯建造的新時(shí)代，而且正如他在2002年出版的《太空梯：一種革命性的地球·太空交通系統(tǒng)》一書中所說(shuō)的：“太空梯可以使人類歷史實(shí)現(xiàn)跳躍性的發(fā)展?！?br /> 　　奇跡將在15年內(nèi)出現(xiàn)
　　愛德華茲曾在2004年大膽預(yù)言：15年之內(nèi)，也就是2019年之前，科學(xué)家們將在距離厄瓜多爾海岸1931千米的海面上建立一個(gè)平臺(tái)，一根約1米寬、厚度比紙還薄的碳納米管纜繩的一端與該平臺(tái)相連，另一端伸向約10萬(wàn)千米之遙的太空，在地球旋轉(zhuǎn)的向心力作用下，纜繩將會(huì)被拉得很緊。
　　貨物或人員可以沿著纜繩爬行到任意高度：在低空，人類可以進(jìn)行太空旅游；在中空，通信衛(wèi)星將進(jìn)入地球同步軌道；進(jìn)入高空后，可利用地球的旋轉(zhuǎn)將飛船送上月球、火星，甚至更遠(yuǎn)的地方。
　　一旦這種太空天梯建成后，通常利用耗資巨大的火箭將人員或貨物送入太空的方法將會(huì)被太空天梯取代。尤其讓愛德華茲感到滿意的是，太空天梯將大幅度降低運(yùn)載成本，每磅（約0.45千克）載重將只耗費(fèi)100美元。相比而言，目前使用航天飛機(jī)的運(yùn)載成本是每磅1萬(wàn)美元。而且，太空天梯本身的建造成本僅需60億美元。
　　對(duì)于太空天梯的大膽設(shè)想，一些科幻小說(shuō)家和工程師早已談?wù)摿撕芏嗄?，但由美?guó)航空航天局資助的這項(xiàng)設(shè)想?yún)s具有極大的可行性，這令航天界人士大為震驚。美國(guó)航空航天局的戴維·史密瑟曼說(shuō)：“這是迄今為止我見到過的最大膽而又最詳細(xì)的設(shè)想?！泵绹?guó)航天界的帕特里夏·拉塞爾則說(shuō)：“愛德華茲把一切都考慮周到了，從而引起了人們廣泛的興趣和期待。他使太空天梯顯得真實(shí)可行。”
　　雖然如今看來(lái)，愛德華茲的這一預(yù)言可能要破滅了，但他勾畫出來(lái)的太空天梯場(chǎng)景及其可行性，還是非常有前景的。一旦碳納米管纜繩被科研攻關(guān)拿下了，人類建造太空天梯的“曙光”就降臨了。
　　地球同步軌道：傾角為零的圓形地球同步軌道稱為地球靜止軌道，因?yàn)樵谶@樣的軌道上運(yùn)行的衛(wèi)星將始終位于赤道某地的上空，相對(duì)于地球表面是靜止的。這種軌道衛(wèi)星的地面高度約為 3.6萬(wàn)千米，它的覆蓋范圍很廣。
　　更長(zhǎng)的碳納米管
　　人類要完成“太空天梯”這一壯舉的核心技術(shù)，就是碳納米管技術(shù)。因?yàn)槿祟愐锰技{米管材料，做出足夠長(zhǎng)、足夠輕、足夠剛硬、足夠柔韌的“纜繩”。其實(shí)科學(xué)家們，一直走在科研攻關(guān)的路上。
　　例如，2013年我國(guó)清華大學(xué)的魏飛教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)，制備出了世界上最長(zhǎng)的碳納米管，其單根長(zhǎng)度可達(dá)半米以上，這是目前一維納米材料長(zhǎng)度的最高值。魏教授表示：他們團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是制備出千米級(jí)以上長(zhǎng)度的碳納米管，為“太空天梯”的制造開啟一線曙光。碳納米管有很多應(yīng)用，最重要的一個(gè)方面就是制造出“又輕又韌又強(qiáng)又便宜”的材料。它剛被發(fā)現(xiàn)時(shí)就因超高的彈性模量、機(jī)械強(qiáng)度高、質(zhì)量超輕而備受科學(xué)界關(guān)注，而碳又是一種便宜的元素。因此，很多團(tuán)隊(duì)參與此項(xiàng)研究，希望做出“又輕又韌又強(qiáng)又便宜”的超級(jí)纖維。
　　遙望未來(lái)的航天事業(yè)，一種高質(zhì)量的碳納米管的出現(xiàn)，將幫助人類達(dá)成建造“天梯”的夢(mèng)想，能夠更快速、更省成本地發(fā)射航天器。
　　啟動(dòng)“天梯”項(xiàng)目
　　2012年，由美國(guó)航空航天局前工程師邁克爾·萊恩創(chuàng)辦的電梯港公司宣稱：該公司可用現(xiàn)有技術(shù)在月球上建造一座太空電梯，并表示這一想法能在8年內(nèi)成為現(xiàn)實(shí)。
　　據(jù)報(bào)道稱，該公司研發(fā)的“太空電梯”系統(tǒng)，首先會(huì)用纜繩測(cè)試，隨后再推出月球系統(tǒng)。該公司的研究人員希望，最終他們能夠使用“太空電梯”將空間站與月球連接起來(lái)。該公司還在網(wǎng)上發(fā)起一項(xiàng)集資活動(dòng)，希望為月球“太空電梯”籌得第一筆資金。
　　此外，2012年，日本的大林組也首次完整提出“天梯”計(jì)劃。為此，他們邀請(qǐng)所有日本的大學(xué)參與進(jìn)來(lái)，共同研究“天梯”所需要的技術(shù)。大林組自信能在2025年開始建造太空電梯，預(yù)計(jì)在2050年完成一個(gè)“天梯”建造項(xiàng)目，電梯的總建造高度將達(dá)到9.6萬(wàn)千米。
　　2015年8月加拿大的托特公司表示，他們計(jì)劃建造一個(gè)太空電梯，高度約兩萬(wàn)米。該公司已獲得一項(xiàng)美國(guó)專利權(quán)用于建造獨(dú)立塔狀結(jié)構(gòu)，可從地球表面向空中延伸至萬(wàn)米，這個(gè)太空塔的高度是世界上最高建筑物（迪拜的哈利法塔）的20倍。他們同時(shí)表示，未來(lái)太空電梯將作為其太空旅游業(yè)的一個(gè)重要部分。
　　上述的這些“天梯”項(xiàng)目，不論未來(lái)是否能夠成功，但都表明在21世紀(jì)人類就希望建造出“太空天梯”的迫切愿望與信心?！疤仗焯荨币呀?jīng)從科幻電影，慢慢一步步走入現(xiàn)實(shí)世界，真是觸手可及了。
　　科研的“攔路虎”
　　太空天梯為人們提供了一種到達(dá)太空更為經(jīng)濟(jì)和便利的途徑，就像坐著快速電梯上高樓一樣。它將使傳統(tǒng)的運(yùn)載火箭面臨“下崗”的威脅。然而，美夢(mèng)成真并不是輕而易舉就能實(shí)現(xiàn)的。
　　天梯所用的材料要求非常嚴(yán)格和苛刻，以至于通常所用的材料都難以承擔(dān)和勝任。這項(xiàng)技術(shù)的最大障礙在于纜索材料。目前最有希望的是碳納米管，因?yàn)楹穸葍H為頭發(fā)絲1‰的納米管可承受比自身質(zhì)量大5萬(wàn)倍的重物，但超長(zhǎng)碳納米管的研發(fā)仍有一段路要走。
　　如果要造“太空天梯”的纜索，就像要鋼纜一樣將無(wú)數(shù)根碳納米管擰成一根緊密的“繩”。首先做天梯的碳納米管需要足夠長(zhǎng)，而碳納米管要想長(zhǎng)很長(zhǎng)，其生長(zhǎng)的催化劑活性需特別高，且能堅(jiān)持很久。目前人類研發(fā)的最長(zhǎng)的單維碳納米管僅半米以上，因此科研方面仍需努力。
　　此外，一旦有了足夠長(zhǎng)的碳納米管，要把它們做成高質(zhì)量的纖維，還需要紡織技術(shù)的配合。試想一下，站在直徑一米的“地球”外面，想要將幾千億根長(zhǎng)長(zhǎng)的碳納米管紡成一根結(jié)實(shí)的“線”，傳統(tǒng)的紡織技術(shù)肯定不行。現(xiàn)有的做法有聚合物熔融、氣相沉積、靜電紡織等，但這些方法都還需要改進(jìn)，不過人類總算有紡織它的方法了。
　　“太空天梯”因應(yīng)用成本更低，所有的太空機(jī)構(gòu)都很喜歡這一構(gòu)想。目前超級(jí)納米纖維的研制已吸引了數(shù)十億美元的科研經(jīng)費(fèi)。
　　科學(xué)家預(yù)測(cè)在2020年左右，人類可以通過此技術(shù)研發(fā)出最適合的“太空天梯”材料。許多科學(xué)家的態(tài)度更樂觀，認(rèn)為人類在最近的50～100年內(nèi)，就能夠建造出“太空天梯”改變世界。