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2019-06-20 13:30 来源:有问必答

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2019-06-20 08:45:00 中国科技网 分享
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  “女士们,先生们,欢迎大家搭乘太空电梯。我们第一站将抵达月球平台,整个行程需要5小时,请大家在享受整个旅程之前系好安全带并坐好。太空电梯上升的过程中,大家可以欣赏玻璃窗外的景色,比如地球的球面变化以及天空将从深蓝色变成黑色,这应该是你看到的最为激动人心的景观之一……”

  这听起来像科幻小说里的一个章节,但它或许某天将成为现实,因为现在科学家们正在考虑下一个遥远的太空运输系统——太空电梯。

  太空电梯,100多年前就被提出

  在《圣经·创世纪》中有这样一则故事——地面与天空用“天梯”连接,人可以通过“天梯”往返天地之间。雅各布做梦沿着登天的梯子取得了“圣火”。后人便把这梦想中的梯子,称之为雅各布天梯。

  而太空电梯的概念最早在1895年提出。当时,俄罗斯火箭专家齐奥尔科夫斯基从巴黎的埃菲尔铁塔得到灵感,大胆提议从地球的表面到其静止的轨道高度建一个“独立的塔楼”,并通过一条缆绳和一个电梯舱,将“塔楼”与地面连接起来,这样太空飞船就可以不通过火箭发射进入轨道。不过,当时看起来简直是天方夜谭,甚至有人嘲讽他不如“改行去写科幻小说”。

  不过自从太空电梯的概念被提出后,确实也成为了科幻小说中常见的创作元素。1978年,被誉为现代科幻三巨头之一的阿瑟·克拉克,就曾将这一设想写进了他的科幻巨著《天堂之泉》(Fountains of Paradise)。这部小说描绘了在一座热带岛屿上,人们可以通过落在赤道上的一座天梯前往太空观光或运送货物。

  2015年世界科幻小说最高奖“雨果奖”的获得者刘慈欣,在其科幻著作《三体》中,也多次提及太空电梯。其中有这样一段描述:

  “所有的太空电梯都只铺设了一条初级导轨,与设计中的四条导轨相比,运载能力小许多,但与化学火箭时代已不可同日而语,如果不考虑天梯的建造费用,现在进入太空的成本已经大大低于民航飞机了。”

  不光在文学界,在现实社会中太空电梯也激发了科研人员的兴趣。特别是随着人类探索太空步伐的加快,科学家逐渐沉下心来思索,能否将太空电梯变为现实?

  “我喜欢这个异想天开的创意,”伦敦大学学院高度、空间和极端环境医学中心创始人凯文·方在接受BBC新闻的采访时说:“我能理解人们为什么被太空电梯的概念吸引,如果我们能以廉价和安全的方式进入太空,整个太阳系就会成为我们的囊中之物。”

  预计耗资近百亿美元,值得吗?

  太空电梯之所以能点燃各国的研究热情,成本方面是主因。据国际宇航科学院(IAA)报告统计:一旦太空电梯建立,携带负载进入太空的成本可由每公斤20000美元下降至500美元,足以为人类省下一大笔天文数字。

  这主要是因为化学火箭的燃料占80%的空间,14%为主要结构,只有6%可以载人,发射以及回收成本高昂。相比之下,太空电梯则拥有小体积、低耗能的优点。

  而且加拿大托特技术公司也估算过,太空电梯应用后,航天飞机的太空飞行成本能节省大约三分之一,大大提高人类造访太空的频率,此举将开创人类探索太空的新纪元。为此,目前全球已有数个太空电梯项目在加快步伐执行。

  1991年,碳纳米管被日本研究员饭岛意外发现,这种新型材料具有拉伸强度高、抗形变力强等极佳的力学性能,被科学家认为是制作电梯的最理想材料。

  8年后,受美国国家航空航天局(NASA)资助,洛斯阿拉莫斯国家实验所布拉德利·爱德华兹博士制订出使用新型碳材料制造太空电梯的方案,并发布了用碳纳米管材料制作太空电梯的可行性报告。而且他指出,太空电梯的成本为70—100亿美元,这远远低于大型的太空项目。

  时光转到21世纪,美国、日本等国越发重视对太空电梯的研发和建造。2019-06-20,NASA正式宣布太空电梯已成为世纪挑战的首选项目。

  2012年新加坡《联合早报》曾报道:日本大林建设公司首次完整提出太空电梯计划,并声称能在2025年开始建造太空电梯,预计在2050年完成一个太空电梯建造项目,其所设计的太空电梯缆线全长为地球到月球距离的1/4,约有9.6万公里。

  2015年8月,英国《每日邮报》报道称:加拿大的托特公司计划建造一个高度约两万米的太空电梯。该公司已获得一项美国专利权用于建造独立塔状结构,可从地球表面向空中延伸至万米,这个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。

  找到制造材料是最大挑战之一

  根据科学家们的设想,太空电梯其主体由五部分构成:地面基座、缆绳、电梯舱、太空站和重量平衡器。

  其运作模式大致如下:从距离地面3.6万公里的地球同步卫星上“抛”下一根缆绳下垂至地面基站,在引力和向心加速度的相互作用下,缆绳被绷紧;电梯舱则沿着缆绳往来运输人和物;此外,为保持平衡,在太空站远离地球的另一侧也要架设数万公里的缆绳索道,并在缆绳末端连接一个重量平衡器。整条缆绳全长约为10万公里,相当于地球到月球距离的约1/4。

  那么在现实中要建造太空电梯,挑战在哪里呢?

  从哥特式大教堂到摩天楼再到太空电梯,在建造任何高层建筑时,坚固度和平衡重心都是两大关键。不过直到现在,可用于制造太空电梯所需绳索的材料仍屈指可数。

  2014年,Google X的快速评估研发团队也开始太空电梯的设计,但最终发现没有人制造出超过一米的完美的碳纳米管链。因此他们决定把这个项目“深度冻结”。

  由此来看,建造太空电梯最大的挑战之一,在于找到制造电梯缆绳的材料。一根普通的钢丝从9公里的高空中垂下来会被自重所拉断。好在碳纳米管的发现,让人们又重新燃起了希望。细小且强度可与金刚石媲美的碳纳米管,居然柔韧性极佳,并且可制成纤维。据测算,一根宽1米、薄如纸的纳米管缆带,就能支撑13吨的重量。

  2014年9月,美国科学家宾夕法尼亚州立大学的化学教授约翰·巴丁在《自然材料》上发表文章称:他们研发出超细、超坚固的纳米线,比之前发现的碳纳米管更坚固和牢靠。“我们的纳米线就像是一个由尺寸最小的钻石串成的微型项链,其中一个最疯狂的梦想就是用于制造超级坚固的轻型绳索,让打造太空电梯的梦想成为现实。”巴丁说。

  当前,太空电梯不再被认为是一个“超前命题”,这个项目逐渐被美国NASA,欧洲航天局(ESA)等研究机构所接受。而且随着新材料科学的发展,太空电梯开始从幻想走进现实,不再是那么遥不可及。

  也许一旦太空电梯运用后,太空旅行将成为我们日常生活的一部分,就像石器的发展打开了人类祖先广阔的新栖息地,并改变他们的生活方式,未来的太空电梯或许也将改写人类的命运。

责编:张阳