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《三体》动画上映，科技感十足的“太空电梯”能成真吗？
太空电梯一直是包括《三体》在内的许多科幻作品中频频提及的话题。这项工程的技术难点有哪些？未来是否真有希望变为现实？
改编自刘慈欣同名系列长篇科幻小说的《三体》动画正在B站上映，剧中描绘的“太空电梯”让不少人无限向往。进入电梯，按上升按钮，嗖地一下就到了太空，是不是很拉风？
在11月18日至20日召开的2022空间技术和平利用（健康）国际研讨会上，国际太空电梯联盟主席、国际宇航科学院院士彼得 · 斯旺提出，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。
很多时候，科幻与科学的边界就是这样显得朦胧，人类真得会像科幻小说中描绘的那样，用坐电梯的方式轻松抵达太空彼岸？
被科学家启迪的科幻作家们
太空电梯一直是不少科幻作家津津乐道的话题，并在相当多的科幻作品中以不同形式登场，1979 年，英国作家亚瑟 · 克拉克爵士就在科幻小说《天堂的喷泉》中首次描绘了 “登天电梯” 这一桥接空地的庞大设施。我国科幻作家刘慈欣在《三体》中也用相当篇幅详细描述了名为“天梯“的巨型设备。但实际上，在探索“太空天梯”上，以严谨著称的科学家是要远远走在小说家之前的。
▲英国作家亚瑟 · 克拉克爵士在科幻小说《天堂的喷泉》中首次描绘了 “登天电梯”
早在 1895 年，俄罗斯火箭专家与航天先驱齐奥尔科夫斯基在参观法国巴黎的埃菲尔铁塔时，就受到铁塔建设的启发，提出在地面上建设一座直抵地球同步轨道的超高型铁塔，以架设电梯的方式实现进入外层空间。他还对这种铁塔作了详细设计，并计算出塔的高度为 35786 公里。齐奥尔科夫斯基这种类似于圣经中通天塔的设计是“太空电梯”的滥觞。不过在经过一系列计算后，他得出的结论是 ：建设这样一座超高型铁塔是不可能实现的。
20 世纪 60 年代，随着人类首次进入太空，建设太空电梯进入太空的想法再次被科学家提了出来。苏联工程师尤里 · 阿尔楚塔诺夫就设想建设一条空地间的“电力火车”来实现太空物流运输，与齐奥尔科夫斯基单纯地从地面用钢结构建设高塔的想法不同，他提出了从太空向地面建设的方案，即先发射一颗地球同步卫星，然后从卫星上伸出绳索垂到地面上，在地面一端固定后形成“电力火车” 的运行轨道。
1970 年，美国科学家杰罗姆·皮尔森首次将“太空电梯”的概念理论化，并将他的相关论证成果发表在《太空工程学报》上。与苏联的“电力火车”方案类似，皮尔森设想从太空的人造飞行器上“垂下”几条特殊材质、抗拉强度高的缆绳伸到地面，作为太空电梯的主体结构，以这种类似于“拖拽风筝”的方式实现电梯登天。皮尔森这一想法基本奠定了此后太空电梯在学界的演变方向。随后，皮尔森又将这一概念推广到月球，他在一次学术会议上详细论证了地月太空电梯的想法，并把太空电梯的主体结构总结为“空间线”的概念，在皮尔森的设想中，未来“空间线”是用凯夫拉纤维或其他高强度材料制成的仅比铅笔芯稍粗的纤细缆绳。
▲暮年的皮尔森与他的太空电梯设想（图片来源：the Washington Post）
虽然皮尔森用了相当复杂的科学理论去论证太空电梯在未来的可行性和其相对于运载火箭的低成本。但自人类进入太空时代以来，火箭才是唯一在技术上可行的登天载具。虽然皮尔森的科学论证得到了学界的广泛关注，但太空电梯实在是一个远超越时代的概念，因此他本人还曾被同行用“不如去写科幻小说”这类的尖酸话语嘲讽。有趣的是，皮尔森的想法却真正影响到了科幻小说界，当时客居斯里兰卡的小说家克拉克就是受到他关于“空间线”的启发，创作了《天堂的喷泉》中的“登天电梯”。
难以逾越的技术难关
在太空竞赛的岁月，人们不遗余力地提高运载火箭的推力和载荷，以期实现更高效的太空运输。虽然火箭的建造与运营成本巨大，但相比于太空电梯，火箭最大的优势在于“技术可行性上”，从液体 / 固体燃料发动机，到气动力外形再到导航通信，火箭作为一套系统性工程已经被反复实践了几十年。尽管皮尔森及其他拥护者不厌其烦地论证太空电梯的便利性与经济性，但在当时看来，从纸面数据付诸工程实践，太空电梯本身仍然存在太多无法攻克的难题。
最大的挑战还是电梯的材料问题。从齐奥尔科夫斯基的超高型铁塔开始，为了抵消地球自转带来的影响，保证太空电梯相对地面设施不发生位移，科学家在论证太空电梯时，都把建设地点锁定在地球同步轨道上。
根据皮尔森设想中的太空电梯，如果使用普通的钢索作为主体材料，那么如果从地球同步轨道向地面垂下这样一根钢索，不到 9000 米的地方钢索就会被自身重量拉断，而地球同步轨道距离地面可有超过 3 万公里之远。而皮尔森在论证“空间线” 这一概念时，只是模糊地提出用高强度材料作为太空电梯的主体结构。具体使用哪种纤维材料，在当时是从论证阶段就无法逾越的难题。
其次，从地球同步轨道通向地面，需要穿过 1000 公里以上的大气层，对流层复杂的气候条件、平流层的随高度增加升高的气温等等，加上来自月球和太阳的引力作用，都直接或间接考验着太空电梯的稳定性。另外，在搭乘电梯奔向太空时，乘客会穿过地球外层的高强度辐射带，如何保护乘客不受影响则是另一个工程难题。
▲皮尔森最初的太空电梯想象图（图片来源：STAR.INC）
此外，考虑到太空电梯一端需要“系”在地球同步轨道上，另一端就需要在地球赤道附近架设基站，如何为基站选址也存在困难。赤道一带的陆地多是热带雨林，建设电梯基站非常不易，而且从交通运输成本上考虑也不划算，那么就只能在公海上建设浮动基站，皮尔森及其后来者就提出过类似的想法，但如何在复杂海况下保证如此巨大的电梯基站稳定运行亦是难题。
未来的一线曙光
进入上世纪 90 年代以来，材料科学获得了一系列重大突破，这让太空电梯的支持者们看到了解决材料难题的曙光。1993 年，碳纳米管诞生，并在两年后实现了量产，这种强度高（与金刚石类似）、柔韧性好，并可制成纤维的材料，非常适合制作皮尔森提出的“空间线”。作为已知世界上强度最高的材料之一，碳纳米管本征拉伸强度高达 100GPa （压强单位，即吉帕斯卡，1 GPa=1000 000 000Pa）, 单位质量的拉伸强度是钢铁的 276 倍，理论上完全可以做到“四两拨千斤”的效果，非常契合皮尔森“空间线仅比铅笔芯稍粗”的设想。
当然，以人类目前碳纳米管的制作技术，距离将其应用在太空电梯建造上尚有很远的距离。比如，由于制备碳纳米管所用的催化剂容易在高温环境下失去活性，这就导致碳纳米管的长度受到很大限制。而太空电梯所需要的线缆长度可是要超过 3 万公里。不过在碳纳米管这个前进方向上，各国都在努力探索，其中我国在近年来就取得了重大突破。
▲在2010年国家太空电梯会议上，参观未来太空电梯设计方案的前苏联工程师尤里·阿尔楚塔诺夫（图片来源：the space elevator blog）
2013 年，在对超长碳纳米管生长机理、结构可控制备、性能表征等方面开展大量研究后，由清华大学化工系教授魏飞所带领的科研团队首次制备出世界上首个单根长度达半米以上的碳纳米管，创造了新的世界纪录。这就为未来制造太空电梯所需的线缆创造了可能。魏飞教授就曾谈道 ：“我们所制备的碳纳米管具有完美的结构、优异的力学性能和宏观的长度， 目前我们正在从事一米以上碳纳米管的制备，下一步我们希望能够制备出公里级以上长度并具有宏观密度的碳纳米管。这些工作将为太空电梯的制备开启一线曙光！”
正是近年来一些尖端科技连续取得重大突破，原本只是在科学与科幻之间闪转腾挪的太空电梯开始被科学家带入工程设计蓝图之中。1999 年，美国国家航空航天局（NASA）的马歇尔研究中心发表了题为《太空电梯，太空的先进基础设施》的报告，从官方的视角对太空电梯的可行性进行详细论证，这是“太空电梯”这一概念首次获得官方认可。
▲美国国家航空航天局公布的未来太空电梯设想图（图片来源：NASA）
此后 , 从各大宇航官方机构，到众多有志于投资航天事业的企业，纷纷推出自己的太空电梯计划，比如俄罗斯就曾计划与欧洲太空署合作建造太空货运天梯，美国则专门成立了名为 Lift Port Group 的公司专门进行太空电梯的研发，日本也公布了天梯缆绳设计方案。
当然，目前所提出的这些太空电梯的设计方案，在技术上还存在相当多的难题，但人类毕竟已经在运载火箭之外，开拓了另外一条连接太空与地球的思路。相信随着技术不断迭代发展，相关难点逐步迎刃而解，太空电梯或许离我们并不遥远。
出品：科普中央厨房
监制：北京科技报 | 北科传媒
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