春节档电影热映，《流浪地球2》为中国的科幻电影又树起了一座里程碑，其中最令人震撼的画面之一便是将刘慈欣笔下的太空电梯呈现在观众眼前。虽说刘慈欣写的是科幻小说，但太空电梯实际上已经被人类研究了几十年，未来的某一天，坐着“天梯”去遥远的太空，并不是白日做梦。国际太空电梯联盟主席斯旺年11月就对外宣称，未来太空电梯将作为永久性物流基础设施，可把物资和人员运到太空，从而成为进入太空的新通道。现已有不少科学家认为，就在本世纪内，太空电梯将梦想成真。
《流浪地球2》海报
那么，人类在掌握火箭技术的情况下为何还会有太空电梯的设想？最近几十年的科学研究带来了哪些进展？现在又遇到了什么样的技术瓶颈？今天，我们请全国空间探测技术首席科学传播专家庞之浩来给大家作介绍。
（1）本世纪内有望变成现实
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。太空电梯的本质是建设一个永久性的“缆绳”式建筑，将地面与太空上的某一点连接起来。
现在，人类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。
虽然建造太空电梯的费用也很昂贵，但建成运行之后它不需要耗费大量燃料，因此其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、各类物资和包括旅游者在内的人员带到太空去。国际宇航科学院秘书长让·米歇尔·康坦表示，利用太空电梯运输物资，每千克的运输成本约为美元，比使用运载火箭发射物资进入太空便宜得多。
其实，很久以前，人类就梦想建造太空电梯，并为之不断努力。
太空电梯创意图
太空电梯的概念最早是由俄国科学家、航天之父齐奥尔科夫斯基在年见到埃菲尔铁塔后提出的设想。此后，俄国早期太空预言家塔斯安德尔也提出了在地球与月球之间搭建一条由缆绳连接的太空电梯的想法，他认为地心引力能够让缆绳伸展开来，使其成为运送负荷的空中索道。年，著名科幻大师克拉克在其小说《天堂喷泉》中再次提出太空电梯的概念，并引起广泛注意，因为它具有理论基础和科学依据。
年9月15日，在美国圣达菲召开的国际太空电梯研讨会上，俄罗斯、美国等国家的70多位科学家和工程师对太空电梯进行了深入讨论，最终与会专家一致认为太空电梯有望在21世纪内变成现实。
近些年，这个曾被视为科学幻想的革命性工程有了较大进展，并有了多种方案。其中，美国电梯港集团公司声称其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。毫无疑问，太空电梯一旦建成，目前地球上运程最长、达多米的迪拜塔电梯将被远远甩入尘埃。年9月25日，日本曾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，接着在国际空间站上释放了这对边长为10厘米的立方体卫星，它们之间用长约10米的缆绳连接，最后尝试把一个像电梯吊箱的容器通过电动机转动的缆绳从一端移动到另一端。这是人类首次在太空中移动缆绳上的容器，为实现太空电梯迈出了重要一步。
（2）建造原理其实并不复杂
其实，太空电梯的原理并不复杂，说到底就是将一条长长的缆绳一端固定在地球上，另一端固定在地球静止轨道的平衡物(如大型空间站)上。在引力和离心加速度的相互作用下，缆绳绷紧，太空电梯便可利用太阳能或激光能转变成的电能沿缆绳上下运动。
具体来说，太空电梯主要由4个部件组成：基座、缆绳、电梯吊箱和动力系统。
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，可以建在陆地上，如高山顶或高塔尖上；也能建在海上，像一个巨大的港口，世界各地的旅客和物资来到这里，然后通过太空电梯前往太空。
缆绳是太空电梯的关键技术和设备。制造缆绳的材料必须有很高的拉伸强度，可大规模生产，还需造价低廉、质量很小。
太空电梯吊箱创意图（作者提供）
电梯吊箱是载人和运货的部件，其功能跟传统电梯一样，但原理和结构不同。电梯吊箱虽然也是沿着缆绳向上爬，但从天上垂下一根超长的缆绳来将它吊上去是不太可能的，它得自己想办法爬上去。最简单的方法是给电梯吊箱装上马达，带动夹着缆绳的一组轮子转动，从而取得向上的拉动力。马达的电源可以来自缆绳，也可以来自装在电梯吊箱上的发电机，但这两种方式都会增加电梯吊箱的重量。比较减轻重量的方法是在电梯吊箱安装光电转换装置，然后从地面发射激光到光电转换装置上，最后用电将其“射”上去。
说完太空电梯的建造原理，再来分析一下它走向太空的基本条件。
首先，需要建造一个基座平台。如果建在海上，这个平台要位于一个暴风雨、闪电和巨浪较少的海域，还要远离飞机航线和卫星轨道，尤其是要防雷击。
接着，发射卷有缆绳的航天器到太空，让缆绳的一端借助重物坠回地球，与地面上的基座平台相连接，同时，另一端连接位于地球静止轨道的航天器。当地球自转时，太空电梯的缆绳会产生向上的离心力，而地球的重力又将其往下拉，这样缆绳就能实现平衡。
最终，将履带轨道固定在缆绳的两端，并且依靠从地面发射的激光所转换成的电能作为动力加以推动。当电梯吊箱顺利沿轨道来回运行时，就可以将航天器、各种货物和乘客带入太空或送回地球。
（3）最大技术瓶颈在缆绳上
目前，太空电梯走向太空的最大障碍还是缆绳的建造。例如，用比较结实的钢缆当缆绳不能太长，如果太长会因缆绳自身重量太重掉下来，并因经受不了巨大的拉力而断裂。用其它较轻的材料制造缆绳就更不结实了。
俄罗斯和美国都在研制太空电梯，其基本思路是一样的。在俄美设计的太空电梯中，电梯缆绳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缆绳的两面上下对开。
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。也正因如此，太空电梯的概念在提出后的很长一段时间里，被认为是不可能实现的，不管用多么坚固的材料制造缆绳，它都会因承受不了太空电梯两端产生的巨大拉力而发生断裂。
年，美国科学家提出使用像钻石一样强韧又高弹的碳纳米管，其初步设想是：支撑太空电梯的缆绳是由10亿条、长达10万千米的碳纳米管制成的。年，日本科学家真的发现了质量轻、强度高的碳纳米管，让太空电梯这一设想变为现实有了希望。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。这种材料又轻又结实，密度是钢的六分之一，强度却是钢的20倍至近百倍。也就是说，一根像缝衣线粗细的碳纳米管就能承受一辆汽车的重量。
目前，日本在碳纳米管的开发上已取得一定进展。日本大林建设公司计划在年建成太空电梯，该电梯由6个长18米、直径7.2米的椭圆柱形电梯吊箱组成，时速约千米，每次可运送30位旅客。拉动电梯的缆绳将采用比钢还坚固的碳纳米管材料，太空电梯缆绳的中间部位是一个空间站，站内将建设实验设施及居住空间。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，在空间站的另一端还要装一条缆绳悬浮在太空中以起到平衡作用，从而缓解太空电梯承受的地球引力。这样一来，缆绳的总长度将达到9.6万千米。此前研究已确认碳纳米管长期置于大气层中会受损，目前研究人员正在测试用金属和硅保护碳纳米管表面的技术。
也就是说，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；而一根1米长、像纸一样薄的碳纳米缆绳的强度，就足以支撑起一架太空电梯。然而迄今为止，科学家仍然无法用碳纳米管编织出长长的缆绳，只能在实验室生产出长1米左右的碳纳米管，更不用说每克碳纳米管价值美元，要制造出一条10万千米长的碳纳米缆绳有多昂贵了。
尽管如此，各国科学家也没有放弃对太空电梯的研制。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，却可以大幅降低人类进行太空探测的费用。美国西雅图高电梯系统公司的太空电梯项目正在进行相关的技术研发，核心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位于太平洋中部某处的基站，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使缆绳绷紧，从而使电梯吊箱能够上下穿梭。
（4）虽困难重重但未来可期
除了上面说到的技术难点之外，太空电梯还面临着许多问题，如果太空电梯因严重事故崩塌，损失将十分惊人。
首先，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缆绳变得摇摆不定。这有可能使太空电梯摇摆造成太空交通障碍，例如，撞上人造卫星或者太空垃圾残骸，从而导致缆绳断裂或电梯失事。为此，太空电梯必须在内部建造推进器，以稳定太空电梯不要摇摆振动，但这势必会增加建造的难度和电梯建造、维护的成本。
再者，在地球外层、距离地面-00千米的区域分布着一条强度很高的辐射带，如果缺乏有效的防护措施，那么乘坐太空电梯穿越该区域的乘客将受到高强度射线的照射。再加上太空电梯的爬升速度较慢，预计不会超过千米/小时，这就意味着，搭乘太空电梯的人员在辐射区中将待上至少３天时间。对此，科学家已提出多种解决方案，但目前任何一种方案都存在着这样或那样的缺陷。其中一种解决方案是在太空电梯外部建造一个防护层，但这会使太空电梯变得异常笨重和复杂，难以克服地球引力的影响；另一种解决方案是在太空电梯周围构建一层人造磁场，以抵御各种危险的射线，但这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增加。
除此之外，太空电梯还有一些安全问题需要解决。例如，雷击、流星、太空碎片、飓风、原子氧等，有的问题已有对策。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，地球上有些地区常年无雷；其二是将太空电梯的基座建在米高的山顶上，在此高度一般很少发生闪电。
建造太空电梯困难重重，但科学家仍然相信它未来可期。因为一旦太空电梯取得突破性进展，就意味着太空观光变得触手可及，还能以较低成本在地球和太空间运输物资。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，我国清华大学魏飞教授团队早已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，创造了当时的世界纪录。各国科学家现已提出8个比较稳健、合理的太空电梯设计方案，在工程方面，一些国家的科学家已着手一些小型实验并准备深入验证。
国际太空电梯联盟主席斯旺表示，太空电梯建成后，预计8天可到达地球静止轨道、14天到达月球、61天到达火星，其产生空间碎片的可能性很小，是一条绿色天路。不过，用运载火箭进入太空也不会因此被抛弃，毕竟运载火箭的速度比太空电梯快，能迅速穿越辐射带，所以已经有人提出以“太空电梯+运载火箭”的方式运输，实现互补。根据目前的科技水平和发展速度，有人预测太空电梯将在年至年投入业务运营。
或许在我们的有生之年，真的能听到这样的播报：“各位乘客，太空电梯即将到达目的地太空站，请您做好下梯准备，欢迎再次光临。”电梯吊箱外，是无垠的宇宙，冲破云霄的“天梯”在其中仿若一粒微尘，却是属于人类科技文明的微光，执着闪亮。
月球太空电梯打造地月新航线
虽然目前地球太空电梯遭遇技术瓶颈，短期内无法实现，然而月球太空电梯有可能先行一步。
美国科学家皮尔逊曾制定过一个月球太空电梯方案：在运行于月球轨道上的航天器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，航天器则好像飞翔在太空中的风筝，满载物资和补给的缆车顺着缆绳降落，人类可以轻松到达月球表面。
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太空垃圾所带来的危险。
也许有人会觉得这个想法过于疯狂，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4年就资助皮尔逊7.5万美元用于设计月球太空电梯。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，在月球上建太空电梯比在地球上建更容易，由于月球的引力小且基本没有空气，所以可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。
月球太空电梯建成后，与地球太空电梯连成一体，就会成为地月之间的新航线。未来某一天，也许人类只需经过几次换乘，就可以通过太空电梯从地球抵达月球了。
（部分供图：视觉中国）
（原标题：乘“电梯”去太空，这个美梦能成真吗？）
来源：北京日报客户端
记者汪丹
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