连接天地的“高速公路”——太空电梯

著名科幻小说家刘慈欣在《三体》中描述了一种奇特的装置——“天梯三号”，它就是我们今天要介绍的“主角”——太空电梯。

随着科学技术的发展，机械化的程度越来越高，人们的生活越来越便利，只要是稍高一点的楼层通常都会安装电梯。电梯在城市中随处可见，借助电梯我们可以节省上下楼梯的时间和体力。随着人类对太空探索需求的加大，我们经常要使用运载火箭。不过，运载火箭花销巨大，费时费力。如果能在太空建造一个电梯，“登天”就会方便得多了。而且设想中的太空电梯不仅可以运输货物，还可以带人类去太空观光。

尽管迄今为止，太空电梯还只存在于人们的想象中，但在科学界，它早就不是什么新鲜词汇了。1895年，俄国科学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基在法国巴黎参观埃菲尔铁塔时突发奇想：要是建造一座高度超过3.5万千米的“太空塔”，让它的顶端与地球静止轨道上的“太空城堡”相连，不就可以向“太空城堡”运送人员和物资了吗？遗憾的是，在那个飞机还没有上天的年代，齐奥尔科夫斯基的这一设想并不受重视，甚至被嘲笑为痴人说梦。直到2003年，美国和俄罗斯的多名科学家对太空电梯进行了讨论，才肯定了这一伟大的构想。随后，美、俄、日等多国开展研究，制造太空电梯的计划逐渐被提上日程。

齐奥尔科夫斯基有多牛？

齐奥尔科夫斯基是现代航天学火箭理论的奠基人，被誉为“火箭之父”。早在100多年前，他就设计了世界上第一艘宇宙飞船，提出了多级火箭理论以及用液体燃料推进剂代替固体燃料推进剂等超时代的伟大设想。正是依据这些航天理论，人们才发明了火箭，把宇宙飞船送上了太空。他有一句名言：“地球是人类的摇篮，但人类不可能永远生活在摇篮里。”

按照科学家的设想，未来太空电梯有6个椭圆形的运载舱，一次能搭载30个人，速度为每小时200千米，這样8天以后就能到达太空站。

如果太空电梯成为现实，它将是一种比火箭便宜得多的太空运输工具。目前运载火箭，总重的90%是燃料，5%是船体，最后的5%才是宇航员、卫星和其他有效载荷。与消耗的大量燃料相比，有效的载荷太少了，因此火箭的效率太低。目前的行情是：每运送1千克载荷进入太空就要花费2万美元。而太空电梯就不同了，升降舱可以在下降时回收上升过程所积累的能量（势能），而且可以借助太阳能提供动力。因此，它的效率远比火箭高。

现在我们在发射飞船时，需要火箭提供动力，才能让飞船获得摆脱地球引力的速度。而由于太空电梯是同步绕地球转动的，因此只要将飞船运送到空间站，轻轻放出，飞船就会获得摆脱地球引力的速度。

太空电梯一旦建成，将有效解决火箭发射成本高的问题。由于太空电梯的成本较低，普通人也可以前往空间站，观看太空景色。

那这样的太空电梯，建起来一定很难很难吧？

难，也不难。

说不难，是因为只要在距离地面大约3.6万千米的“地球同步轨道”上选择一个点（这个点会像同步卫星那样，和地球保持同步转动，因而从地球上看是静止的），把太空电梯的一头放到这个点上，然后往下拉绳子，一直通到地面，太空电梯的雏形就算完成了。

听起来是不是很简单？确实很简单，但是别忘了，太空电梯的高度大约是3.6万千米，任何垂直的绳索达到这样的长度，都会被自身的重量拉断，更不用说拉升电梯轿厢了。棉绳、麻绳、塑料绳这些都不用说，就连钢丝绳也只能维持20千米，连零头的零头都还达不到。

不过人类也不是完全没办法。1991年，日本一家公司发现了一种超强新型材料——碳纳米管，这种材料理论上完全能满足太空电梯缆索的要求。科学家发现，仅1立方厘米的碳纳米管纤维，就能承受160头大象的重量（超过800吨）不会断裂，而它自身的重量只有1.6克。由于这种材料实在太强了，简直不像是地球的产物，有人甚至怀疑它是外星人送给地球人的礼物。

既然缆索的材料已经找到了，只要生产出缆索，不就能建造太空电梯了吗？但问题来了。这种材料暂时还只存在于实验室里，没办法量产。要用它来做缆索，只能一个分子一个分子地拼。2013年，我国清华大学的一个研究团队制造出了当时世界上最长的碳纳米管，但也只比半米长一些。相比之下，把铁棒磨成绣花针可能还容易一点呢！

况且，即便是最结实的碳纳米缆索，位于太空电梯的中间部分也可能会被轻易拉断，而这还没算上太空电梯顶端配重块对其施加的强大拉力呢。

如果一根缆索容易断，那就多用几根缆索，或者把缆索加粗，行不行？加粗当然可以，但缆索越粗，它的质量也越大，因此缆索永远承受不了其自重。我们现在铺设超高压电缆，通常都是用无人机或直升机先拉一条细细的先导缆索，再一级一级加强，即用尼龙线拉钢丝的方式，把沉重的电缆拉过宽阔的江河。但是，跨江电缆是水平铺设的，且最多只有几千米长，而太空电梯的缆索却是直上直下、长几万千米，且中间不能中断。

而且，目前人类最强大的火箭只能把百余吨的载荷送到近地轨道，没有任何火箭可以一次性地把几十万吨的缆索拖到地球同步轨道，更不用说让它到达配重所在的10万千米的高空。

还有一个问题：即便我们千辛万苦、耗费巨资建成了太空电梯，也无法一劳永逸地使用它。太空电梯从低空到高空会面临全方位的威胁：雨水、风沙、盐雾会侵蚀缆索；大气流动会对缆索施加横向拉力，使它弯曲、振动；电梯轿厢高速上下运动会造成缆索表面快速磨损；在中低轨道运行的所有航天器，只要其轨道穿越地球赤道，理论上都可能与太空电梯的缆索发生高速碰撞，数以百万计的太空垃圾更是无法控制又躲不开，而碳纳米管缆索虽然有很好的抗拉强度，但抗剪切能力却非常弱，一撞就断；在近地轨道分布着大量原子氧，它们能快速地氧化缆索表面的碳并将其带走，因此缆索的表面若未做足抗腐蚀工作，后果不堪设想……

此外，受到太阳和月球引力的影响，太空电梯很难做到稳定运行。潮汐引力会牵拉空间站、配重块和缆索本身，使其发生伸缩摇摆，这也会缩短缆索的寿命。一旦缆索断裂，其结果就是灾难性的：配重块在失去缆索的束缚后，会沿切线方向高速飞离地球；与此同时，位于3.6万千米高的空间站会在下方缆索张力的牵拉下坠向地球，造成严重的灾难。

不过，随着现代科技的发展进步，建造太空电梯的难题早晚会被攻克。到那时，不仅每个人都能轻松步入太空，人类还会以此为基点，在月球、火星上建设开拓宇宙的基地，甚至直接在太空中建立巨大的太空城。借用电影《流浪地球2》里的一句话：相信我们的人，一定能完成任务。我们愿意相信，太空电梯在未来一定能帮助人类实现大规模进入太空的宏愿。