上萬(wàn)公里的太空電梯，能不能圓了普通人的“上天夢(mèng)”？

原標(biāo)題：上萬(wàn)公里的太空電梯，能不能圓了普通人的“上天夢(mèng)”？

上天入地一直是人類的兩大夢(mèng)想。現(xiàn)在入地可能還得晚點(diǎn)（當(dāng)然挖煤什么就算了），但上天早已不是什么難事，畢竟我們連月球都已經(jīng)拜訪過(guò)好幾回了。

但實(shí)際上，雖然航空技術(shù)已經(jīng)非常成熟，上天也不是一件隨隨便便的事情。每執(zhí)行一次太空飛行任務(wù)，都要花費(fèi)巨大的成本、冒著未知的風(fēng)險(xiǎn)，還要考驗(yàn)人的身體素質(zhì)等。所以，雖然太空旅游這事兒已經(jīng)被念叨了幾十年，但太空飛行仍然還是航天員的事兒。

而且，自從美國(guó)最后一架航天飛機(jī)退役之后，世界上已經(jīng)沒(méi)有真正意義上可以循環(huán)使用的航天飛行器了。宇宙飛船也基本上都是一次性的。不能重復(fù)利用，讓每一次太空發(fā)射任務(wù)都顯得特別昂貴。

那么，很多人就在想：能不能建造一種一勞永逸的基礎(chǔ)設(shè)施，可以無(wú)限次循環(huán)使用，既降低太空發(fā)射任務(wù)的成本，又讓上天成為一件尋常之事呢？

于是，太空電梯的構(gòu)想應(yīng)運(yùn)而生。

插入太空的繩索：太空電梯是什么操作？

最早提出太空電梯構(gòu)想的是俄羅斯科學(xué)家齊奧爾科夫斯基。據(jù)說(shuō)他在一次觀賞埃菲爾鐵塔的時(shí)候，受到其高聳姿態(tài)的啟發(fā)：如果把鐵塔蓋到35800公里的高度，那我們上天直接用爬的不就可以了？

于是，他提出可以在太空中建設(shè)一個(gè)城堡，然后利用纜繩和地面連接起來(lái)，從而可以從地球上運(yùn)送人員、物資什么的。此后的一百多年里，科幻小說(shuō)中屢次出現(xiàn)關(guān)于太空電梯的構(gòu)想，比如阿瑟·克拉克的《天堂之泉》，而《三體》則對(duì)太空電梯的構(gòu)想做出了更為細(xì)致的描述。

在實(shí)際操作上，太空電梯在1999年美國(guó)宇航局馬歇爾中心發(fā)表《天體：太空的先進(jìn)基礎(chǔ)設(shè)施》之后成為了真正的科研對(duì)象。自此之后，關(guān)于太空電梯的建設(shè)方案層出不窮。但無(wú)論哪種方案，都離不開(kāi)NASA提出的太空電梯的四大部分：地球基站、纜繩、升降機(jī)和平衡錘。

也就是說(shuō)，在地面有一個(gè)可以保證電梯相對(duì)穩(wěn)固的“錨”，使其不能隨便移動(dòng)；然后要有一根足夠長(zhǎng)、足夠結(jié)實(shí)的纜繩運(yùn)送升降機(jī)到平衡錘。這個(gè)平衡錘可以由空間站來(lái)充當(dāng)。

有人說(shuō)，地球不是有自轉(zhuǎn)嗎？就不怕幾萬(wàn)公里長(zhǎng)的電梯被甩出去？

這個(gè)原理很好解釋。就像一個(gè)小孩兒一圈兒一圈兒地甩繩子，繩子的一頭綁個(gè)磚塊兒。在旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中，繩子會(huì)被拉緊，而磚塊兒相當(dāng)于是圍繞著小孩兒的手做一個(gè)相對(duì)靜止的運(yùn)動(dòng)。所以，被甩出去是不可能的。而且在這個(gè)過(guò)程中，升降機(jī)的爬升也不受影響。

從這個(gè)角度上來(lái)說(shuō)，火箭、航天器什么的基本就可以被取代了。畢竟火箭的作用之一是幫助航天器達(dá)到一定的速度可以圍繞地球轉(zhuǎn)，而順著電梯爬到頂端的時(shí)候自然而然就擁有了公轉(zhuǎn)速度。

聽(tīng)起來(lái)是不是特別簡(jiǎn)單？可這也僅僅就是聽(tīng)起來(lái)。

基站、材料和動(dòng)力：太空電梯的三大難題

太空電梯建造的第一個(gè)問(wèn)題是選址。

赤道是被公認(rèn)的太空電梯最佳位置，因?yàn)檫@樣電梯到達(dá)地球同步軌道的距離是最短的。但是提出的一個(gè)要求就是：這個(gè)位置的地質(zhì)構(gòu)造一定要特別穩(wěn)定，不然三天兩頭地震一次，再把地基給震塌陷了，那就太不靠譜了。

因此，在很多構(gòu)想中，把基站建在大洋中成為了首選方案。而如何在上千米的深水之中建筑一個(gè)巨大而穩(wěn)固的電梯基站，自然也需要科學(xué)家們費(fèi)一番心思了。

但相比基站建設(shè)，電梯的纜繩則困難得多。

要制造一條長(zhǎng)達(dá)數(shù)萬(wàn)公里的纜繩，必須要有兩個(gè)特點(diǎn)：第一足夠結(jié)實(shí)，第二足夠輕。

即便是最結(jié)實(shí)的鋼材，在達(dá)到一定高度的時(shí)候，位于底部的材料也會(huì)禁受不住巨大的壓力，折斷是必然會(huì)發(fā)生的事情。因此，必須要找到一種材料，既堅(jiān)硬，又輕便，這樣底部承受的壓力就沒(méi)那么大。按照目前的研究，最有希望的是碳納米管。但如果被拉成纜繩的話，目前碳納米管材料的技術(shù)程度仍然還是無(wú)法承受這樣的壓力的。因?yàn)槿绻凑宅F(xiàn)在的技術(shù)，整個(gè)一條纜繩下來(lái)，重量也將達(dá)到7000噸。

并且，纜繩材料還需要面對(duì)來(lái)自宇宙輻射、大氣腐蝕、太空垃圾等方面的威脅。如何保證其能夠安然挺過(guò)這些威脅，將會(huì)是開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)之一。

未來(lái)解決了纜繩的材質(zhì)問(wèn)題之后，還需要面對(duì)動(dòng)力的問(wèn)題。根據(jù)構(gòu)想，太空電梯就是節(jié)省了火箭發(fā)射的環(huán)節(jié)，使得運(yùn)送成本進(jìn)一步下降。但是電梯的升降也是需要?jiǎng)恿Φ?。畢竟離地面越高，所需要的上升動(dòng)力越大。對(duì)此，有人提出了用激光發(fā)射助推的方法。

2009年美國(guó)的“波束能量挑戰(zhàn)賽”中，一款名為“激光動(dòng)力自動(dòng)攀登者”的太空升降機(jī)出爐，并且抱走了90萬(wàn)美金。其利用地面的強(qiáng)激光作為推動(dòng)力，而升降機(jī)則設(shè)計(jì)了一個(gè)太陽(yáng)能電池來(lái)吸收地面發(fā)射的紅外激光。通過(guò)這種激光助推，其成功使升降車上升到了900米的高空，速度則達(dá)到了3.9米每秒。雖然離太空電梯的真實(shí)需求還有很遠(yuǎn)，但試想一下：如果激光能量足夠強(qiáng)，其能夠達(dá)到太空電梯的需求也并非不可期。

如果基站、纜繩材質(zhì)、動(dòng)力這“三大件”能夠得到解決，關(guān)于太空天梯的制造也就基本上掃清了大部分的障礙。

既能觀光又能送貨，可太空電梯真的那么重要？

花大力氣建電梯，肯定是有用的。那么，這些用處到底體現(xiàn)在何處呢？

1. 觀光。對(duì)普通人而言，太空電梯的最大意義就是讓自己也有了上天觀景的機(jī)會(huì)。不要幾十萬(wàn)，也不要幾萬(wàn)，更不要幾千，花個(gè)幾百美元你就可以穿過(guò)云層、翱翔天際，一天欣賞15次日出日落，感受整個(gè)宇宙的遼闊……萬(wàn)戶如果還在，一定激動(dòng)到落淚。

2. 運(yùn)送貨物?，F(xiàn)在要往空間站送個(gè)貨還要搭火箭，而且每次的量還不多。如果能有太空天梯的話，空間站所需要的物資幾乎可以實(shí)現(xiàn)隨需隨送，成本又很低。并且，還有人設(shè)想在月球上建一個(gè)電梯，然后把上面的礦物質(zhì)運(yùn)送到地球上……當(dāng)然，把月球和地球直接連起來(lái)肯定是不行的，不然由于地球的自轉(zhuǎn)電梯咔嚓就被扭斷了。但是如果在連接月球的電梯和連接地球的電梯給做一個(gè)中轉(zhuǎn)，還是很有可能實(shí)現(xiàn)的。這樣我們長(zhǎng)期覬覦的月球礦產(chǎn)就可以得到真正的有效利用了。

也就是說(shuō)，從太空旅游和運(yùn)送物資進(jìn)行科學(xué)研究這兩個(gè)方面來(lái)說(shuō)，太空電梯還是能起到相當(dāng)重要的作用的。

但在這里，我們需要正視一個(gè)問(wèn)題：太空電梯運(yùn)輸成本真的很便宜？

科學(xué)家們談到太空電梯的時(shí)候，能大幅度降低太空運(yùn)送成本是其常常掛在嘴邊的一句話。但從20世紀(jì)末進(jìn)入真正的科研到如今20年過(guò)去了，太空電梯可以說(shuō)基本上沒(méi)啥進(jìn)展，難道僅僅是技術(shù)不過(guò)關(guān)嗎？

或許夢(mèng)幻般的太空電梯要想有真正有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值，還必須要面對(duì)以下兩個(gè)問(wèn)題。

第一，贏得與傳統(tǒng)運(yùn)火箭運(yùn)輸方式的成本賽跑。按照日本最新的太空電梯打造計(jì)劃的預(yù)期，其將在2050年完成建設(shè)任務(wù)并實(shí)現(xiàn)載人送貨。而屆時(shí)，每千克的貨物運(yùn)輸成本為500美元左右。

但必須面對(duì)的一個(gè)現(xiàn)實(shí)情況是：按照目前space X火箭每次發(fā)射2億美元，可搭載22噸貨物計(jì)算，其每千克差不多是1萬(wàn)美元。但不要忘了，space X已經(jīng)掌握了火箭的回收技術(shù)，在重復(fù)利用下，每千克發(fā)射成本降會(huì)低至以千美元計(jì)。給太空電梯30年的時(shí)間建造，運(yùn)輸成本為每千克500美元；但給space X 30年，誰(shuí)敢確定其運(yùn)輸成本不會(huì)下降得更多？

因此，在傳統(tǒng)火箭運(yùn)輸成本也在下降的情況下，如何贏得這場(chǎng)賽跑，將成為太空電梯建設(shè)的一個(gè)硬性要求。不然建了還不如火箭，那意義又何在？

第二，成本不能只計(jì)算運(yùn)輸，還有考慮到建造。僅僅著眼于運(yùn)輸是如何便宜是沒(méi)有意義的，還要考慮到太空電梯的建造成本。必須要清楚的是，太空電梯絕對(duì)是地球最高科技的代表之一，其材料技術(shù)、動(dòng)力技術(shù)、基站打造、空間站建造、日常維護(hù)等都是一筆不菲的支出，據(jù)測(cè)算，僅僅是建造的成本就達(dá)300億美元，而實(shí)際投入使用則遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止這個(gè)數(shù)。太空電梯本身的空間限制使得其單次載貨量與重型火箭運(yùn)送有巨大的差距。按照一千克500美元，大約要運(yùn)送6萬(wàn)噸的貨物才能收回建造成本，而在這個(gè)過(guò)程中單次運(yùn)輸?shù)某杀具€沒(méi)有計(jì)算在內(nèi)。這樣的話，巨額投入的成本回收問(wèn)題，將是不可回避的。

也就是說(shuō)，不談建設(shè)成本只談運(yùn)輸?shù)?，都是耍流氓?/p>

當(dāng)然，我們必須承認(rèn)太空電梯是一個(gè)偉大的構(gòu)想，我們也期待其能夠克服各種困難、考慮各種問(wèn)題，將其變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。也許在一切條件都成熟的情況下，《三體》中所描繪的圍繞地球的網(wǎng)狀般的壯麗景象，將會(huì)成為宇宙當(dāng)中又一人造的美麗場(chǎng)景。

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