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科技日報:搭乘電梯去太空 或許沒什么不可能


“女士們,先生們,歡迎大家搭乘太空電梯。我們第一站將抵達月球平臺,整個行程需要5小時,請大家在享受整個旅程之前系好安全帶并坐好。太空電梯上升的過程中,大家可以欣賞玻璃窗外的景色,比如地球的球面變化以及天空將從深藍色變成黑色,這應該是你看到的最為激動人心的景觀之一……”

 
    這聽起來像科幻小說里的一個章節,但它或許某天將成為現實,因為現在科學家們正在考慮下一個遙遠的太空運輸系統——太空電梯。
 
    太空電梯,100多年前就被提出
 
    在《圣經·創世紀》中有這樣一則故事——地面與天空用“天梯”連接,人可以通過“天梯”往返天地之間。雅各布做夢沿著登天的梯子取得了“圣火”。后人便把這夢想中的梯子,稱之為雅各布天梯。
 
    而太空電梯的概念最早在1895年提出。當時,俄羅斯火箭專家齊奧爾科夫斯基從巴黎的埃菲爾鐵塔得到靈感,大膽提議從地球的表面到其靜止的軌道高度建一個“獨立的塔樓”,并通過一條纜繩和一個電梯艙,將“塔樓”與地面連接起來,這樣太空飛船就可以不通過火箭發射進入軌道。不過,當時看起來簡直是天方夜譚,甚至有人嘲諷他不如“改行去寫科幻小說”。
 
    不過自從太空電梯的概念被提出后,確實也成為了科幻小說中常見的創作元素。1978年,被譽為現代科幻三巨頭之一的阿瑟·克拉克,就曾將這一設想寫進了他的科幻巨著《天堂之泉》(Fountains of Paradise)。這部小說描繪了在一座熱帶島嶼上,人們可以通過落在赤道上的一座天梯前往太空觀光或運送貨物。
 
    2015年世界科幻小說最高獎“雨果獎”的獲得者劉慈欣,在其科幻著作《三體》中,也多次提及太空電梯。其中有這樣一段描述:
 
    “所有的太空電梯都只鋪設了一條初級導軌,與設計中的四條導軌相比,運載能力小許多,但與化學火箭時代已不可同日而語,如果不考慮天梯的建造費用,現在進入太空的成本已經大大低于民航飛機了。”
 
    不光在文學界,在現實社會中太空電梯也激發了科研人員的興趣。特別是隨著人類探索太空步伐的加快,科學家逐漸沉下心來思索,能否將太空電梯變為現實?
 
    “我喜歡這個異想天開的創意,”倫敦大學學院高度、空間和極端環境醫學中心創始人凱文·方在接受BBC新聞的采訪時說:“我能理解人們為什么被太空電梯的概念吸引,如果我們能以廉價和安全的方式進入太空,整個太陽系就會成為我們的囊中之物。”
 
    預計耗資近百億美元,值得嗎?
 
    太空電梯之所以能點燃各國的研究熱情,成本方面是主因。據國際宇航科學院(IAA)報告統計:一旦太空電梯建立,攜帶負載進入太空的成本可由每公斤20000美元下降至500美元,足以為人類省下一大筆天文數字。
 
    這主要是因為化學火箭的燃料占80%的空間,14%為主要結構,只有6%可以載人,發射以及回收成本高昂。相比之下,太空電梯則擁有小體積、低耗能的優點。
 
    而且加拿大托特技術公司也估算過,太空電梯應用后,航天飛機的太空飛行成本能節省大約三分之一,大大提高人類造訪太空的頻率,此舉將開創人類探索太空的新紀元。為此,目前全球已有數個太空電梯項目在加快步伐執行。
 
    1991年,碳納米管被日本研究員飯島意外發現,這種新型材料具有拉伸強度高、抗形變力強等極佳的力學性能,被科學家認為是制作電梯的最理想材料。
 
    8年后,受美國國家航空航天局(NASA)資助,洛斯阿拉莫斯國家實驗所布拉德利·愛德華茲博士制訂出使用新型碳材料制造太空電梯的方案,并發布了用碳納米管材料制作太空電梯的可行性報告。而且他指出,太空電梯的成本為70—100億美元,這遠遠低于大型的太空項目。
 
    時光轉到21世紀,美國、日本等國越發重視對太空電梯的研發和建造。2005年3月23日,NASA正式宣布太空電梯已成為世紀挑戰的首選項目。
 
    2012年新加坡《聯合早報》曾報道:日本大林建設公司首次完整提出太空電梯計劃,并聲稱能在2025年開始建造太空電梯,預計在2050年完成一個太空電梯建造項目,其所設計的太空電梯纜線全長為地球到月球距離的1/4,約有9.6萬公里。
 
    2015年8月,英國《每日郵報》報道稱:加拿大的托特公司計劃建造一個高度約兩萬米的太空電梯。該公司已獲得一項美國專利權用于建造獨立塔狀結構,可從地球表面向空中延伸至萬米,這個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戰之一
 
    根據科學家們的設想,太空電梯其主體由五部分構成:地面基座、纜繩、電梯艙、太空站和重量平衡器。
 
    其運作模式大致如下:從距離地面3.6萬公里的地球同步衛星上“拋”下一根纜繩下垂至地面基站,在引力和向心加速度的相互作用下,纜繩被繃緊;電梯艙則沿著纜繩往來運輸人和物;此外,為保持平衡,在太空站遠離地球的另一側也要架設數萬公里的纜繩索道,并在纜繩末端連接一個重量平衡器。整條纜繩全長約為10萬公里,相當于地球到月球距離的約1/4。
 
    那么在現實中要建造太空電梯,挑戰在哪里呢?
 
    從哥特式大教堂到摩天樓再到太空電梯,在建造任何高層建筑時,堅固度和平衡重心都是兩大關鍵。不過直到現在,可用于制造太空電梯所需繩索的材料仍屈指可數。
 
    2014年,Google X的快速評估研發團隊也開始太空電梯的設計,但最終發現沒有人制造出超過一米的完美的碳納米管鏈。因此他們決定把這個項目“深度凍結”。
 
    由此來看,建造太空電梯最大的挑戰之一,在于找到制造電梯纜繩的材料。一根普通的鋼絲從9公里的高空中垂下來會被自重所拉斷。好在碳納米管的發現,讓人們又重新燃起了希望。細小且強度可與金剛石媲美的碳納米管,居然柔韌性極佳,并且可制成纖維。據測算,一根寬1米、薄如紙的納米管纜帶,就能支撐13噸的重量。
 
    2014年9月,美國科學家賓夕法尼亞州立大學的化學教授約翰·巴丁在《自然材料》上發表文章稱:他們研發出超細、超堅固的納米線,比之前發現的碳納米管更堅固和牢靠。“我們的納米線就像是一個由尺寸最小的鉆石串成的微型項鏈,其中一個最瘋狂的夢想就是用于制造超級堅固的輕型繩索,讓打造太空電梯的夢想成為現實。”巴丁說。
 
    當前,太空電梯不再被認為是一個“超前命題”,這個項目逐漸被美國NASA,歐洲航天局(ESA)等研究機構所接受。而且隨著新材料科學的發展,太空電梯開始從幻想走進現實,不再是那么遙不可及。
 
    也許一旦太空電梯運用后,太空旅行將成為我們日常生活的一部分,就像石器的發展打開了人類祖先廣闊的新棲息地,并改變他們的生活方式,未來的太空電梯或許也將改寫人類的命運。(記者 姜靖)



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