在近日上映的國(guó)產(chǎn)科幻片《流浪地球2》中，太空電梯這一重要建筑物引發(fā)了許多觀眾的好奇。在互聯(lián)網(wǎng)上，對(duì)太空電梯的科學(xué)合理性討論也層出不窮。
事實(shí)上，太空電梯并不僅是單純的科學(xué)幻想，也是一條理論上可行的未來(lái)技術(shù)方向。
圖注：流浪地球2中的太空電梯
一、太空電梯是什么？
顧名思義，太空電梯是一座巨大的電梯，其底端位于地表，頂端則位于高度約36000Km同步軌道（也被稱為地球靜止軌道）。
圖注：太空電梯的簡(jiǎn)單示意
具體來(lái)講，太空電梯有三個(gè)部分，第一部分是地表的基座，在《流浪地球2》中，基座是一座位于加蓬的巨大陸基設(shè)施。在現(xiàn)實(shí)的討論中，許多人認(rèn)為基于海上移動(dòng)基地的基座方案更具有可行性，可移動(dòng)的站點(diǎn)能有效地規(guī)避各種地球天氣問(wèn)題和軌道碎片?；仨毼挥诔嗟赖貐^(qū)，否則無(wú)法使系統(tǒng)的重心處于需求的軌道。
第二部分是系纜，用某種性能強(qiáng)大的材料作為纜繩，聯(lián)接底部基座和頂部的配重結(jié)構(gòu)。
第三部分是軌道站點(diǎn)，這一部分位于整個(gè)建筑的最頂端，其作為配重來(lái)平衡太空電梯的自身重力，并使得太空電梯整體重心位于地球同步軌道，也即赤道上空35786公里處。
太空電梯是一個(gè)極其龐大的巨型系統(tǒng)，而其能穩(wěn)定存在的原因正是其精妙控制的系統(tǒng)重心。當(dāng)重心位于同步軌道時(shí)，太空電梯自身產(chǎn)生的離心力將恰好相當(dāng)于系統(tǒng)的總體重力，而向上的離心力和向下的重力像是“揪住”系纜的兩端，把它“抻直”。
二、太空電梯是用來(lái)做什么的？
簡(jiǎn)單地講，太空電梯是一種極其廉價(jià)的太空運(yùn)輸系統(tǒng)。
在目前，人類主要依賴的太空運(yùn)輸方式是化學(xué)燃料火箭，每次發(fā)射都要消耗數(shù)百噸的液體燃料來(lái)把數(shù)十噸物資送入太空。這一方式是目前最簡(jiǎn)單有效的方案，但也意味著極其昂貴的成本。雖然可回收火箭等新技術(shù)在不斷降低太空發(fā)射的成本，但在目前，向近地軌道運(yùn)送物資的成本依然超過(guò)一千美元每公斤。
圖注：《流浪地球2》中正在著陸的可回收運(yùn)載火箭
利用太空電梯運(yùn)輸則廉價(jià)得多，由于太空電梯可以憑借系纜以慢得多的方式向太空前進(jìn)，而不需要像火箭一樣有極高的推重比，同時(shí)，太空電梯的轎廂是可以完全回收的。
在電影《流浪地球2》中，太空電梯的轎廂使用了類似于火箭的推進(jìn)方式，并在推進(jìn)過(guò)程中達(dá)到了9g的加速度。而在現(xiàn)實(shí)中，太空電梯的轎廂可以用更加“溫和”的推進(jìn)方式，例如單純的使用輪子在軌道系纜上“攀爬”。
圖注：《流浪地球2》中借助火箭升空的太空電梯轎廂
溫和的推進(jìn)方式除了意味著更廉價(jià)的軌道運(yùn)輸成本之外，也意味著更低的加速度，這意味著大部分普通人，乃至于一些無(wú)法承受高加速度的科學(xué)儀器都可以通過(guò)太空電梯進(jìn)行運(yùn)輸。
此外，還有一個(gè)有趣的問(wèn)題是轎廂該如何儲(chǔ)存能量，和大部分人想象的電梯不同的是，太空電梯的路徑全長(zhǎng)超過(guò)三萬(wàn)公里，僅憑轎廂本身攜帶的能量很難滿足這趟漫長(zhǎng)的旅程。目前已經(jīng)有許多關(guān)于太空電梯向轎廂傳輸能量的想象，除了像《流浪地球2》一樣把推進(jìn)劑直接放進(jìn)轎廂之外，還有許多不同的方案，例如使用激光傳輸能量給轎廂，或者在高空采用太陽(yáng)能來(lái)獲取能量。
太空電梯的概念最早由齊奧爾科夫斯基在1895年提出，隨著納米技術(shù)的不斷進(jìn)步，這一構(gòu)想正在不斷走向現(xiàn)實(shí)。2019年，國(guó)際宇航科學(xué)院（IAA）發(fā)布了名為《太空電梯時(shí)代之路》的研究報(bào)告，此報(bào)告指出太空電梯似乎的確可行。
太空電梯的最大技術(shù)限制來(lái)自于其所需要的系纜結(jié)構(gòu)，這些系纜需要承擔(dān)系統(tǒng)產(chǎn)生的極大張力，絕大部分的常規(guī)材料都無(wú)法在超過(guò)三萬(wàn)公里的尺度上表現(xiàn)出滿足需求的性能。根據(jù)物理學(xué)家布拉德利·C·愛(ài)德華茲的設(shè)計(jì)，系纜材料的抗拉強(qiáng)度需要達(dá)到100GPa。
目前，太空電梯的系纜結(jié)構(gòu)材料備選方案包括碳納米管和碳納米線，這些材料雖然在理論上可行，但是其加工難度極高，生產(chǎn)出連續(xù)的、長(zhǎng)達(dá)上萬(wàn)公里的碳納米材料依然是無(wú)法做到的。國(guó)際宇航科學(xué)院寄希望于研究一種專門用于太空電梯系纜的新納米材料，并建議在之后幾年進(jìn)行驗(yàn)證。
同時(shí)，建造一個(gè)足夠平衡太空電梯重量的軌道配重也是極其困難的事情。除了在太空電梯的頂點(diǎn)建造一個(gè)巨型空間站外，直接捕獲一個(gè)小行星作為軌道配重也是可選的方案之一。不過(guò)，目前人類所掌握的技術(shù)還不足以捕獲如此尺寸小行星并將其送入預(yù)定軌道。
總的來(lái)說(shuō)，太空電梯計(jì)劃介于完全的幻想與真實(shí)的科學(xué)之間，其所代表的是一種廉價(jià)的太空探索之夢(mèng)，雖然目前看來(lái)似乎仍有距離，但隨著技術(shù)的發(fā)展，我們距離這個(gè)夢(mèng)想可能會(huì)越來(lái)越近。
作者簡(jiǎn)介：付文鶴，科幻工作者，中國(guó)科普作家協(xié)會(huì)會(huì)員，主要從事科幻、科普相關(guān)工作，長(zhǎng)期研究國(guó)內(nèi)外航天科技發(fā)展，曾獲2018、2019科普中國(guó)軍事科技前沿年度優(yōu)秀作者稱號(hào)
出品：科普中國(guó)
監(jiān)制：光明網(wǎng)科普事業(yè)部
作者：付文鶴
策劃：金 赫
