​
《流浪地球2》中出现了太空电梯的身影
导读：
       刘慈欣的长篇科幻小说《三体》的动画片版已于去年年底在B站上映，电影《流浪地球2》将在今年春节的1月22日开始在全国各大影院闪亮登场。它们有一个共同特点，就是里面都有太空电梯的场景。太空电梯只是科幻吗？会有真正实现的那一天吗？
撰文 ｜ 庞之浩
国外科幻片中的太空电梯
记得小时候看过一本18世纪德国著名的儿童文学作品，书名为《吹牛大王历险记》。书中的主人公为了到月亮上捡回他扔上去的银斧，就在地上种了一粒土耳其豌豆，豌豆苗生长很快，不久就长到天上去了。他顺着豆藤向上爬，仅一个多小时，就成功爬上了月亮。于是，这根能通向月亮的豆藤就永远刻印在了我的心里。幻想总是那么美丽。不过，这美丽的幻想，或许真的能照进现实。
很久以来，人类就梦想通过建造太空电梯上天，并一直不断努力。有研究表明，这个梦想将在本世纪实现。2021年11月，国际太空电梯联盟主席斯旺表示，未来太空电梯作为永久性物流基础设施，可将物资和人员运到太空，成为进入太空的新通道。
太空电梯示意图
SAIXIANSHENG
科幻将变现实？
用一根粗大的吊索，一端固定在位于地球赤道上的平台上，另一端紧紧抓住距地面约3.6万千米、在地球静止轨道上运行的航天器，就可使一个形似电梯的吊箱载着货物、人员沿吊索驶向太空……这就是一些国家研究人员正在尝试设计的太空电梯。
现在，进入太空的主要工具是运载火箭，即通过消耗大量燃料来摆脱地球引力。运载火箭所携带的燃料要占到火箭总重量的90％以上，每运送1千克有效载荷上天平均需耗资至少1万美元。
虽然太空电梯造价昂贵，但不需要动用大量燃料，因此建成之后的运行费用比运载火箭低两个量级，且可像高速公路一样24小时运转，将航天器、物资和包括旅游者在内的人员带到太空去。英国一项测算显示，用太空电梯运送1个人和货物的费用相当于用航天飞机运费的0.25％。国际宇航科学院秘书长让·米歇尔·康坦表示，利用太空电梯运输，每千克物资运输成本约为500美元，比使用火箭每千克至少要花1万美元更便宜的多。
太空电梯的概念最早由俄国科学家、航天学之父齐奥尔科夫斯基在20世纪初提出，他曾建议利用一个太空绳索系统，在空间站之上形成人造地心引力。此后，俄国早期太空预言家塔斯安德尔也提出在地球与月球之间搭建一条绳索连接的太空电梯，他认为地心引力能够让绳索伸展开来，使其成为用于运送负荷的空中索道。1965年，苏联航天技术总负责人科罗廖夫组织中央机器制造设计局开始为第一个太空绳索设备做准备，打算用一条钢缆将联盟号宇宙飞船与运载火箭的末级进行连接。不幸的是，这一工程在科罗廖夫去世后就被中止。1979年，著名科幻大师克拉克在其小说《天堂喷泉》再次提出太空电梯的概念，并引起了广泛注意，因为它具有理论基础和科学依据，但存在一系列非常复杂的工程学问题，最大的挑战在于没有人能造出数万千米长的超强缆绳。
用气球试验太空电梯绳索
后来，在2003年9月15日在美国圣达菲召开的研讨会上，俄罗斯和美国等国家的70多位科学家和工程师对太空电梯进行了讨论，最终一致认为它将在21世纪内变成现实。这个曾被视为科学幻想的革命性工程近些年有了较大进展，并有多种方案。
美国电梯港集团公司的太空电梯广告
其中，美国电梯港集团公司正在研制的太空电梯可以一次运送30名乘客，在6个小时内抵达10万千米外的太空。一旦建成，目前地球上运程最长、达800多米的迪拜塔电梯无疑将被远远甩入尘埃。
SAIXIANSHENG
基本原理简单
2018年9月25日，日本用货运飞船把一对用于世界首次太空电梯试验的立方体卫星送往“国际空间站”。接着又从“国际空间站”释放了这对边长为10厘米的立方体卫星，它们之间用长约10米的缆索连接；然后尝试把一个像电梯吊箱的容器通过电动机转动的缆索从一端移动到另一端。
这是人类首次在太空中移动缆索上的容器，也迈出了人类实现太空电梯的一步。
太空电梯的原理并不复杂，基本上就是用一条长长的缆绳一端固定在地球上，另一端固定在地球同步轨道的平衡物(如大型卫星或空间站)上。在引力和向心加速度的相互作用下，缆绳绷紧，太空电梯将利用太阳能或激光能沿缆绳上下运动。
具体说就是用一根粗大的吊索，一端固定在位于地球赤道的平台上，另一端紧紧抓住在地球静止轨道运行的航天器上，这样就可使一个形似电梯的吊箱载着货物沿吊索驶向太空。
太空电梯由四大件组成：基座、缆索、电梯舱和动力系统。
基座是太空电梯在地面上的基础结构。基座必须选在地球赤道地区，可以建在陆上，如高山顶上或高塔尖上；也能建在海上，像一个巨大的港口，世界各地的旅客和物资通过海、陆、空交通运输源源不断地来到这里，然后乘坐或装上太空电梯的电梯舱运往太空。
缆索是太空电梯的关键技术和设备。制造缆索的材料必须有很高的拉伸强度/质量比，可大规模生产，并且还要造价低廉。
电梯舱是乘坐人员和承载货物的部位，功能跟传统电梯一样，但原理和结构不同。电梯舱虽然也是沿着缆索向上爬，但从天上垂下一根超长的绳子来将电梯舱吊上去是不太可能的，它要“自己想办法”爬上去。最简单的方法是在电梯舱上装马达，带动夹着缆索的一组轮子转动，从而取得向上的拉动力。马达的电源可以从缆索上取得，也能用装在电梯舱上的发电机，但这两种都会增加电梯舱的重量。比较省重量的方法是在电梯舱上安装调谐太阳电池板，然后从地面发射激光将电梯舱“射”上去。
其上升动力有多种方案，可采用太阳能、核能和电磁场等。但目前研究表明，采用激光和微波方式比较合适。
标准的太空电梯升降厢
听起来很美，但如何构建它呢？
首先，要建造一个基座平台，这个平台要位于一个暴风雨、闪电和巨浪较少的海域,还要远离飞机的航线和卫星的轨道。太空电梯必须能防雷击，否则它将容易被斩断。
接着，发射卷有缆索的航天器到太空，让缆索的一端借助重物坠回地面，最终与地球上的平台相连接，同时，另一端连接位于太空的航天器上展开。地球自转时，太空电梯缆索就会产生向上的离心力，而地球的重力将缆索往下拉，这样缆索就平衡了。
最终，将履带轨道固定在缆索的两端，并且依靠从地面发射的激光转换成的电能作为动力加以推动。它将建造成为管状形的通道，沿轨道来回运行时，可以将航天器、各种货物和乘客带入太空。他们可以乘座太空电梯沿管道升降。
运行在地球静止轨道太空电梯的示意图
现在，美国航空航天局和欧洲航天局等著名航天机构都参与到了太空电梯合作中，但令科学家们最头疼的是研发资金短缺。美国航空航天局太空电梯首席科学家爱德华兹估计该项目至少要花费70～100亿美元。
早期的太空电梯设想
SAIXIANSHENG
俄美积极攻关
俄罗斯和美国都在研制太空电梯。其基本思路是一样的，不同的是俄罗斯的太空电梯首先考虑的是如何从太空往地球运回物资，而美国提出的太空电梯的重点是从地面向太空运送物资。
俄罗斯拟在月球表面建立永久性基地，然后用太空电梯将货物运至月球基地或者运回地球。尽管这种太空电梯的运行速度非常缓慢，但却可以大幅降低人类进行太空探测的费用。俄罗斯设计的太空电梯由人造卫星、宇宙飞船、有效载荷舱以及细长坚韧的特种索道组成。
欧洲航天局曾委托俄罗斯建造一部可以把太空物资直接从“国际空间站”运回地球的太空电梯。具体方案是：装有货物的太空舱从“国际空间站”通过一根大约400千米长的缆绳送回地球。虽然缆绳很长，但其重量不会超过6千克，是用特别材料制成的。进入大气层后，缆绳会燃烧掉，之后，货物依靠自带的气球继续落向地球。但由于资金等原因,这一项目现已被搁置。
从海上通天的太空电梯
美国西雅图高电梯系统公司的太空电梯项正在进行相关的技术研发。其核心部分是研制一条距离地球表面将近10万千米长的缆绳。其靠近地球的一端将被固定在可能位于太平洋中部某个地方的基站，而另一端将连接到一个在太空中绕地球静止轨道运行的物体上以充当平衡锤，它本身所具备的动力将能够使缆绳绷紧，从而使飞行器等运载工具能够上下穿梭。
在俄美设计的太空电梯中，太空电梯的吊索是一条可两面使用的轨道，其周围包裹着管道，电梯可借助磁悬浮技术在管道内沿吊索的两面上下对开。
由于太空电梯的缆绳要承受地心引力和离心力的双重拉扯，所以目前建造太空电梯的最大障碍是缆索的建造，它需要用又强又轻的材料制成，并能够经受住大气层内外向它袭来的任何物体的撞击。为此，太空电梯的概念提出后的很长一段时间里，它被认为是不可能实现的，因为不管用多么坚固的材料制造缆索，都承受不了太空电梯的重量而发生断裂。
日本太空电梯绳索试验设备
1990年，美国科学家想到了使用像钻石一样强韧但又高弹的纳米碳管。其初步设想是：支撑太空电梯的缆绳是一束由10亿条、 长达10万千米的纳米碳管制成，每条纳米碳管含有7.2×1017个碳原子。
从理论上讲，1米宽、如纸般薄的纳米管织物便足以负载太空电梯了。科学家认为，用碳纳米管制成缆索可以从近地卫星（甚至月球）悬挂到地面，不会因自重而断裂，可以用来为太空太阳能电站向地面输电，或制作太空电梯。
SAIXIANSHENG
日本雄心勃勃
1991年，日本科学家发现了质量轻、强度高的碳纳米管，此后太空电梯这一概念又有可能变为现实，因为碳纳米管的强度是钢材的几十到近百倍。
日本计划从距离地球赤道地面36000千米的地球静止轨道卫星上垂下一条纳米材质的电缆，利用这条电缆，再安装升降电梯，便可以制成太空电梯了。
日本研制的碳纳米管
目前，日本在碳纳米管的开发方面已取得一定进展。上文提到的日本科学家在1991年发现的碳纳米管，就是日本名古屋名城大学的饭岛澄男用通电的碳煤烟研制出来的，这是一种名为巴基球的特殊原子结构。在研究过程中，饭岛澄男发现，各种材料当它的尺度达到纳米级时，它的物理特性如电、磁、热、强度等都会发生很大的变化。碳纳米管是石墨中一层或若干层碳原子卷曲而成的笼状“纤维”，直径只有几到几十纳米，内部是空的。这样的材料很轻，但很结实，密度是钢的1/6，强度却是钢的近百倍。也就是说，一根像缝衣线大小的碳纳米管就能承受一辆汽车的重力。
日本大林建设公司计划在2050建成的太空电梯，该太空电梯由6个长18米，直径7.2米的椭圆柱形电梯间组成，时速约200千米，每次可运送旅客30位。该项目拉动电梯的缆索就将采用比钢坚固20多倍的碳纳米管材料。电梯缆线固定在地表一个定点上，然后利用地球自转的离心力抛出去，另一头系着一个起平衡作用的铅坠。太空电梯电缆的中间部位是一个空间站，站内将建设实验设施及居住的空间。
日本设想的太空电梯
其实，为了取得平衡，避免在地球静止轨道上的空间站因太空电梯太重被拉回地面，保持整体结构的稳定性，在空间站的上面还要装另外一条缆索悬浮在太空中以起平衡作用，从而缓解太空电梯承受的地球引力，即空间站位于电梯缆索的中间部位，站内将建设实验设施及居住的空间。这样，缆索的总长度将达到9.6万千米。
机厢在向太空爬升过程中的动力问题是巨大的挑战。日本拟采用新干线列车技术来解决太空电梯进入太空的动力问题。日本太空升降舱协会有关负责人甚至不无乐观地说，希望未来就像出国旅行一样，人人都可以坐着太空电梯上太空。预计，日本的太空电梯工程总建设费用至少达到1万亿日元。
学生设计的太空电梯概念图
SAIXIANSHENG
月球太空电梯
美国科学家皮尔逊曾制定过一个月球太空电梯方案:在运行于月球同步轨道上的卫星和月球表面间建立一个“升降机”，“升降机”由人造复合纤维缆绳拴住，卫星则好像飞翔在太空中的风筝。皮尔逊认为这一设想在理论上是可行的，因为月球引力只有地球的1/6，依靠目前科技水平制造的合成纤维缆绳已经足够满足承担运输工作的强度要求。与此同时，在月球周围也不存在废弃的火箭推进器、卫星以及其它太空垃圾所带来的危险，又使这一计划免除一项后顾之忧。
在这张从太空俯瞰地球的构想图上，人类可以乘坐太阳能（或电磁）交通工具沿着太空电梯出入天庭。
他描述了一幅美妙的月球太空电梯图画：满载物资和补给的缆车顺着微微弯曲的月球太空电梯缆绳从天际中垂直落下，降落在月球的某一地点，地球探险者可以轻松到达月球表面任何角落，寻找地下的固态水。
也许有人会觉得皮尔逊的想法过于疯狂，但美国航空航天局的先进概念研究所却不这么认为。这家独立机构在2004年就资助皮尔逊7.5万美元用于设计其月球太空电梯。
乘太空电梯登天
2014年，由美国航空航天局前工程师迈克尔•莱恩创办的电梯港集团公司宣称，由于在月球上建太空电梯比在地球上建更容易，所以该公司可用现有技术在月球上建造一座太空电梯，并表示这一想法能在较快成为现实。其具体设想是：从月球上空5万千米处垂向月球表面的月球太空电梯，因为月球的引力小，并且月球上基本没有空气，所以可以大大降低对缆绳强度的要求，只需使用一种名叫柴隆（Zylon）的高强度、高耐热性复合纤维，就能实现打造月球太空电梯的梦想。
从理论上讲，制造月球太空电梯的材料会比制造地球太空电梯要轻许多，其缆绳的一端固定在月球表面某个面朝地球的地点。不过，月球太空电梯较小，只能运输200～250千克的货物。如果用它来采集和运输月球矿石标本，则完全足够，这也将使月球采矿和运回地球的成本大大降低。
太空电梯方案之一
建成后的月球太空电梯还可以与地球太空电梯连成一体，将来有一天，人类只需经过几次换乘，就可以乘坐太空电梯从地球抵达月球了。
近年，又有一种新的太空电梯方案问世——可充气太空电梯。根据设计和建造方案，该太空电梯将高约20千米。未来，航天员和运载火箭可先搭乘可充气太空电梯进入位于平流层的电梯顶端发射平台，然后再点火起飞进入太空。它相当于运载器的第一级平台，而且航天器还可以返回塔顶平台加油再重新起飞。这一技术有望为传统火箭节约30%以上的燃料。
长期以来，工程师们一直认为太空电梯研制难度太大，因为没有任何物质能够支撑自己达到太空的高度。然而这种最新解决方案绕开了这个问题。根据设计方案，只需将太空电梯建造到高达20千米的平流层。太空电梯建造到平流层总比直达地球静止轨道高度要容易、可行得多。
SAIXIANSHENG
工程困难重重
目前，研制太空电梯最大的挑战是能否以低成本、大规模生产出碳纳米管纤维材料，因为这种材料现在还只是毫米级制品，距实用差距甚远。从理论上说，如果用碳纳米管纤维材料造出直径1毫米的碳纳米绳，该纳米绳就可以承载60吨的重量。迄今为止，科学家仍然无法用碳纳米管编织出长长的缆绳。此外，每克碳纳米管就价值500美元，要制造出一条10万千米长的碳纳米缆绳就十分昂贵了。
另外，向太空发射各种电梯建设材料花费巨大，且如果太空电梯因严重事故崩塌，空中和地面的损失也将十分惊人。
还有，当太阳风向太空电梯施加压力时，来自月球和太阳的重力作用将使绳索变得摇摆不定。这将有可能使太空电梯摇摆造成太空交通障碍，太空电梯也可能会碰撞上人造卫星或者太空垃圾残骸，这样的碰撞将导致绳索断裂或太空电梯失事。为此，太空电梯必须在内部建造推进器，以稳定太空电梯致命的摇摆振动，但这又将增加了建造的难度和电梯建造和维护成本。也有关专家认为，地球磁场可以自然地削弱太空电梯的摇摆振动，用活动锚也可控制绳索摇摆。
太空电梯的基站可以建在海上。
再者，在地球外层、距离地面1000～20000千米的区域，分布着一条强度很高的辐射带，而在穿越该区域的过程中，航天员们可能会受到致命的辐射。如果缺乏有效的防护措施，乘坐太空电梯的乘客将会受到高强度射线的照射。此前，对于从事高轨道航天飞行的航天员们来说，分布在地球外部的辐射层已构成严重的威胁。当年参加“阿波罗”计划的航天员们曾穿越这一地区。由于当时飞船的速度很快，因此他们受到射线照射的时间很短，计量也不足以致命。然而，太空电梯的爬升速度却要慢很多——不会超过200千米/小时。这就意味着，搭乘太空电梯的航天员必须在辐射区中呆上至少３天的时间。对此，虽然科学家们已提出了多种解决方案，但任何一种都存在着这样或那样的缺陷。
有一种解决方案是在太空电梯外部建造一个防护层。但这会是太空电梯变得异常笨重和复杂，难以克服地球引力的影响。
太空电梯会受到太空垃圾的袭击
另一种解决方案是将起始平台设在远离赤道的地区，这样辐射带的强度就不会太过强烈。但专家们认为，即使这样，仍无法确保航天员不会受到致命剂量辐射的伤害。况且，如果太空电梯的起始点太靠近北纬45°地区，那么地球旋转所产生的离心力将会使固定太空电梯的缆绳偏向南方，同时，它还会受到各种恶劣天气条件的影响。
还有科学家提出可在太空电梯周围构建一层人造磁场。通过这种方式将可有效抵御各种危险的射线。但此举会严重削弱太空电梯的升力，导致向太空运送物资和人员的能量消耗大幅度增加。
科幻片中太空电梯基座
太空电梯还会面临许多安全问题需要解决。例如，雷击、流星、太空碎片、飓风、原子氧等，其中有的已经有对策了。例如，有两种办法可使太空电梯免遭雷击：其一是将太空电梯的基座选在地球上的无雷区，因为地球上有些地区常年无雷；其二是将太空电梯的基座建在6000米高的山顶上，因为在此高度一般很少发生闪电。对付太空碎片的办法是：对太空垃圾进行密切的跟踪和监视；采用移动基站，使缆索避开太空垃圾的撞击；在500～1700千米这一段增加缆索的厚度。对付飓风的办法是将基座建在没有飓风的区域，或者增加缆索的强度。
另外，由于建造太空电梯所用的碳纳米绳技术过难，成本过高，所以地球太空电梯至今仍停留在美好的蓝图阶段，但月球太空电梯有可能先问世。如果地球太空电梯取得突破性进展，人类就将走进大众太空旅游的新时代。
SAIXIANSHENG
结语
目前，碳纳米管和超强石墨烯被认为是建造太空电梯缆绳的理想材料；在设计方面，科学家目前已提出8个比较稳健、合理的科学设计方案；在工程方面，一些国家的科学家已开展一些小型实验并准备深入验证。我国清华大学魏飞教授团队曾成功制备出世界上最长的、单根长度达半米以上的碳纳米管，创造了新的世界纪录。相关内容近日在线发表在国际著名期刊《美国化学会纳米》上。
艺术家笔下通往天堂的太空电梯
国际太空电梯联盟主席斯旺在2021年11月介绍：根据目前设计，太空电梯攀爬速度约为每小时200千米。未来，随着缆绳加长、轿厢攀爬速度加快，预计8天可到达地球同步轨道，14天可到达月球，61天可到达火星。斯旺认为，未来人类建火星村、月球村需要发射大量物资到太空，星际旅行也备受期待，太空电梯非常具有商业竞争力。太空电梯用太阳能驱动，不像发射火箭那样消耗大量化学燃料，而且太空电梯产生空间碎片的可能性很小，是一条绿色天路。
国际太空电梯联盟副主席莱特称，火箭发射不会因此被抛弃，因为火箭比太空电梯速度更快，能迅速穿越辐射带，已经有人提出以“太空电梯+火箭”的方式运输，实现互补。
根据目前的科技水平和发展速度看，有人预计太空电梯将在2050—2100年投入业务运营。
参考资料：
1.代小佩. 坐电梯去火星？这个梦想并不遥远.科技日报. 2022年11月21日
2.庞之浩.“太空电梯”迈出第一步.人民日报. 2018年10月11日
3.中国宇航学会.航天科技与中国天梦.北京：中国科学技术出版社，2020年（注：书中有关太空电梯的部分是我写的）
4.杭添仁（庞之浩的笔名）.太空好乘天梯去.天文爱好者. 2012年第10期92-95,共4页
制版编辑 | 小毛
欢迎关注我们，投稿、授权等请联系
[email protected] 
继续阅读
阅读原文