凡人的“通天塔”——太空电梯技术

　　出品：科普中国

　　作者：兰顺正

　　策划：宋雅娟

　　监制：光明网科普事业部

　　近一段时间以来，有关中国建设“地月空间经济区”的内容被媒体广泛报道，而与之相应，“太空电梯”概念也随之受到关注。近日，俄罗斯托木斯克理工大学新技术工程学院院长阿列克谢·雅科夫列夫在接受俄罗斯卫星通讯社记者采访时表示，中国关于建设地月空间经济区的计划完全可行，或于未来10-15年出现的太空电梯技术将助力实现该计划。明显的是，该则消息将使太空电梯技术成为关注焦点。

　　简单的原理，巨大的作用

　　太空电梯的原理并不复杂，与生活的中的普通电梯十分相似。只需在地球同步轨道上建造一个空间站，并用某种足够长也足够结实的“绳索”将其与地面相连，在引力和向心加速度的相互作用下，绳索会绷紧，宇航员、乘客以及货物可以通过电梯轿厢一样的升降舱沿绳索直入太空，这样不需要依靠火箭、飞船这类复杂航天工具，可谓是名副其实的“通天塔”。

　　太空电梯在科幻小说中已多次出现

　　太空电梯的想法最早由俄罗斯科学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基于1895年提出，他提议在地球静止轨道上建设一个太空城堡，用一根缆绳将地面与城堡相连，以此实现太空运输。1979年英国作家阿瑟·克拉克将这个概念写入了科幻小说《天堂的喷泉》，引起了公众的广泛关注。在科幻作家刘慈欣的作品《三体》中，也有关于太空电梯的描述。

　　本来太空电梯只是科幻概念，但是科技发展让这个构想不再遥不可及。这其中的一个重要突破就碳纳米管技术。碳纳米管是由碳原子组成的圆柱形分子，这些碳原子连接成六边形，直径仅为1 纳米，其抗拉强度是已知任何材料中最高的，理论上高达 300千兆帕斯卡。2018年底有报道称，清华大学的研究团队研发了一种高强度的纤维，仅 1 立方厘米的用碳纳米管制成的纤维就能承受 160 头大象（超过 800 吨）的重量且不会断裂，而这根缆绳仅重 1.6 克。

　　不难看出，如果太空电梯建造成功，其意义非同凡响。相比火箭，太空电梯的最大特点就是能大大降低人和货物进入太空的成本。目前的国际商业卫星发射中，每千克荷载的运输成本约2.5万－4万美元之间。据估计太空电梯建成后，每千克荷载的运输成本约为200美元。而且太空电梯更加安全，乘客不需要像宇航员那样经过长期复杂的训练就能进入太空。这首先得利的就是太空观光旅游业，今后普通人也能轻易实现飞天的梦想。同时太空电梯能够将飞船、卫星及相应的零件直接“提升”入轨或在太空组装，这样就无需大运力的运载工具和消耗大量燃料，太空电梯巨大的运力将来甚至于可以帮助在轨道上建造各种巨型太空设施，如太空电站、太空工厂、太空城市等。

　　凡人的“天路 ”，大国的“快车”

　　鉴于太空电梯所带来的巨大收益，目前各国科学家早已开始了探索。而日本是最积极的国家之一，10年前就组织了“日本太空电梯协会”。2018年9月有消息称，日本静冈大学工学部的科研团队与日本建设公司大林组合作开发了迷你版太空电梯，并将其送往国际空间站进行测试。该实验用一段10米长的钢制缆绳，连接2颗边长为10厘米的小型立方体卫星。在缆绳上，研究人员利用电机驱动一个模拟电梯升降舱的盒子，使其在缆绳上来回移动，以此测试太空电梯模型的可行性。当时有消息指出，参与太空电梯实验的大林组还在单独推进研发工作。据大林组公司网站介绍，他们构想用碳纳米管制作缆绳，6组升降电梯依靠电动机在其上运行，升降舱将建成直径为7.2米的鸡蛋状，可承载30人。电梯从地面出发，预计8天到达空间站。该公司评估这一套太空电梯系统大约需要20年的建造时间，耗价约10万亿日元。2019年9月在日本福岛县南相马市，来自日本国内外的大学和企业等12个团体再次开展了太空电梯的大规模实证试验。

　　日本太空电梯概念图

　　此次雅科夫列夫称：“现在正在讨论太空电梯的理念，这一理念早就已经出现。据我掌握的信息，中国正计划实施该项目。目前正在研发材料，这种材料将成为运送技术的基础，通过这种技术可先将物资和人员送往地球静止轨道，然后再发往月球。这或将在未来10-15年内实现。”不难想象，在今后中国的“地月空间经济区”建设将会搭上太空电梯的“快车”。