《三體》動畫上映，科技感十足的“太空電梯”能成真嗎？
太空電梯一直是包括《三體》在內(nèi)的許多科幻作品中頻頻提及的話題。這項工程的技術(shù)難點有哪些？未來是否真有希望變?yōu)楝F(xiàn)實？
撰文/記者 段然 圖文編輯/陳永杰
▲太空電梯示意圖（圖片來源：NASA）
改編自劉慈欣同名系列長篇科幻小說的《三體》動畫正在B站上映，劇中描繪的“太空電梯”讓不少人無限向往。進(jìn)入電梯，按上升按鈕，嗖地一下就到了太空，是不是很拉風(fēng)？
在11月18日至20日召開的2022空間技術(shù)和平利用（健康）國際研討會上，國際太空電梯聯(lián)盟主席、國際宇航科學(xué)院院士彼得 · 斯旺提出，未來太空電梯作為永久性物流基礎(chǔ)設(shè)施，可將物資和人員運到太空，成為進(jìn)入太空的新通道。
很多時候，科幻與科學(xué)的邊界就是這樣顯得朦朧，人類真得會像科幻小說中描繪的那樣，用坐電梯的方式輕松抵達(dá)太空彼岸？
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被科學(xué)家啟迪的科幻作家們
太空電梯一直是不少科幻作家津津樂道的話題，并在相當(dāng)多的科幻作品中以不同形式登場，1979 年，英國作家亞瑟 · 克拉克爵士就在科幻小說《天堂的噴泉》中首次描繪了 “登天電梯” 這一橋接空地的龐大設(shè)施。我國科幻作家劉慈欣在《三體》中也用相當(dāng)篇幅詳細(xì)描述了名為“天梯“的巨型設(shè)備。但實際上，在探索“太空天梯”上，以嚴(yán)謹(jǐn)著稱的科學(xué)家是要遠(yuǎn)遠(yuǎn)走在小說家之前的。
▲英國作家亞瑟 · 克拉克爵士在科幻小說《天堂的噴泉》中首次描繪了 “登天電梯”
早在 1895 年，俄羅斯火箭專家與航天先驅(qū)齊奧爾科夫斯基在參觀法國巴黎的埃菲爾鐵塔時，就受到鐵塔建設(shè)的啟發(fā)，提出在地面上建設(shè)一座直抵地球同步軌道的超高型鐵塔，以架設(shè)電梯的方式實現(xiàn)進(jìn)入外層空間。他還對這種鐵塔作了詳細(xì)設(shè)計，并計算出塔的高度為 35786 公里。齊奧爾科夫斯基這種類似于圣經(jīng)中通天塔的設(shè)計是“太空電梯”的濫觴。不過在經(jīng)過一系列計算后，他得出的結(jié)論是 ：建設(shè)這樣一座超高型鐵塔是不可能實現(xiàn)的。
20 世紀(jì) 60 年代，隨著人類首次進(jìn)入太空，建設(shè)太空電梯進(jìn)入太空的想法再次被科學(xué)家提了出來。蘇聯(lián)工程師尤里 · 阿爾楚塔諾夫就設(shè)想建設(shè)一條空地間的“電力火車”來實現(xiàn)太空物流運輸，與齊奧爾科夫斯基單純地從地面用鋼結(jié)構(gòu)建設(shè)高塔的想法不同，他提出了從太空向地面建設(shè)的方案，即先發(fā)射一顆地球同步衛(wèi)星，然后從衛(wèi)星上伸出繩索垂到地面上，在地面一端固定后形成“電力火車” 的運行軌道。
1970 年，美國科學(xué)家杰羅姆·皮爾森首次將“太空電梯”的概念理論化，并將他的相關(guān)論證成果發(fā)表在《太空工程學(xué)報》上。與蘇聯(lián)的“電力火車”方案類似，皮爾森設(shè)想從太空的人造飛行器上“垂下”幾條特殊材質(zhì)、抗拉強(qiáng)度高的纜繩伸到地面，作為太空電梯的主體結(jié)構(gòu)，以這種類似于“拖拽風(fēng)箏”的方式實現(xiàn)電梯登天。皮爾森這一想法基本奠定了此后太空電梯在學(xué)界的演變方向。隨后，皮爾森又將這一概念推廣到月球，他在一次學(xué)術(shù)會議上詳細(xì)論證了地月太空電梯的想法，并把太空電梯的主體結(jié)構(gòu)總結(jié)為“空間線”的概念，在皮爾森的設(shè)想中，未來“空間線”是用凱夫拉纖維或其他高強(qiáng)度材料制成的僅比鉛筆芯稍粗的纖細(xì)纜繩。
▲暮年的皮爾森與他的太空電梯設(shè)想（圖片來源：the Washington Post）
雖然皮爾森用了相當(dāng)復(fù)雜的科學(xué)理論去論證太空電梯在未來的可行性和其相對于運載火箭的低成本。但自人類進(jìn)入太空時代以來，火箭才是唯一在技術(shù)上可行的登天載具。雖然皮爾森的科學(xué)論證得到了學(xué)界的廣泛關(guān)注，但太空電梯實在是一個遠(yuǎn)超越時代的概念，因此他本人還曾被同行用“不如去寫科幻小說”這類的尖酸話語嘲諷。有趣的是，皮爾森的想法卻真正影響到了科幻小說界，當(dāng)時客居斯里蘭卡的小說家克拉克就是受到他關(guān)于“空間線”的啟發(fā)，創(chuàng)作了《天堂的噴泉》中的“登天電梯”。
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難以逾越的技術(shù)難關(guān)
在太空競賽的歲月，人們不遺余力地提高運載火箭的推力和載荷，以期實現(xiàn)更高效的太空運輸。雖然火箭的建造與運營成本巨大，但相比于太空電梯，火箭最大的優(yōu)勢在于“技術(shù)可行性上”，從液體 / 固體燃料發(fā)動機(jī)，到氣動力外形再到導(dǎo)航通信，火箭作為一套系統(tǒng)性工程已經(jīng)被反復(fù)實踐了幾十年。盡管皮爾森及其他擁護(hù)者不厭其煩地論證太空電梯的便利性與經(jīng)濟(jì)性，但在當(dāng)時看來，從紙面數(shù)據(jù)付諸工程實踐，太空電梯本身仍然存在太多無法攻克的難題。
最大的挑戰(zhàn)還是電梯的材料問題。從齊奧爾科夫斯基的超高型鐵塔開始，為了抵消地球自轉(zhuǎn)帶來的影響，保證太空電梯相對地面設(shè)施不發(fā)生位移，科學(xué)家在論證太空電梯時，都把建設(shè)地點鎖定在地球同步軌道上。
根據(jù)皮爾森設(shè)想中的太空電梯，如果使用普通的鋼索作為主體材料，那么如果從地球同步軌道向地面垂下這樣一根鋼索，不到 9000 米的地方鋼索就會被自身重量拉斷，而地球同步軌道距離地面可有超過 3 萬公里之遠(yuǎn)。而皮爾森在論證“空間線” 這一概念時，只是模糊地提出用高強(qiáng)度材料作為太空電梯的主體結(jié)構(gòu)。具體使用哪種纖維材料，在當(dāng)時是從論證階段就無法逾越的難題。
其次，從地球同步軌道通向地面，需要穿過 1000 公里以上的大氣層，對流層復(fù)雜的氣候條件、平流層的隨高度增加升高的氣溫等等，加上來自月球和太陽的引力作用，都直接或間接考驗著太空電梯的穩(wěn)定性。另外，在搭乘電梯奔向太空時，乘客會穿過地球外層的高強(qiáng)度輻射帶，如何保護(hù)乘客不受影響則是另一個工程難題。
▲皮爾森最初的太空電梯想象圖（圖片來源：STAR.INC）
此外，考慮到太空電梯一端需要“系”在地球同步軌道上，另一端就需要在地球赤道附近架設(shè)基站，如何為基站選址也存在困難。赤道一帶的陸地多是熱帶雨林，建設(shè)電梯基站非常不易，而且從交通運輸成本上考慮也不劃算，那么就只能在公海上建設(shè)浮動基站，皮爾森及其后來者就提出過類似的想法，但如何在復(fù)雜海況下保證如此巨大的電梯基站穩(wěn)定運行亦是難題。
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未來的一線曙光
進(jìn)入上世紀(jì) 90 年代以來，材料科學(xué)獲得了一系列重大突破，這讓太空電梯的支持者們看到了解決材料難題的曙光。1993 年，碳納米管誕生，并在兩年后實現(xiàn)了量產(chǎn)，這種強(qiáng)度高（與金剛石類似）、柔韌性好，并可制成纖維的材料，非常適合制作皮爾森提出的“空間線”。作為已知世界上強(qiáng)度最高的材料之一，碳納米管本征拉伸強(qiáng)度高達(dá) 100GPa （壓強(qiáng)單位，即吉帕斯卡，1 GPa=1000 000 000Pa）, 單位質(zhì)量的拉伸強(qiáng)度是鋼鐵的 276 倍，理論上完全可以做到“四兩撥千斤”的效果，非常契合皮爾森“空間線僅比鉛筆芯稍粗”的設(shè)想。
當(dāng)然，以人類目前碳納米管的制作技術(shù)，距離將其應(yīng)用在太空電梯建造上尚有很遠(yuǎn)的距離。比如，由于制備碳納米管所用的催化劑容易在高溫環(huán)境下失去活性，這就導(dǎo)致碳納米管的長度受到很大限制。而太空電梯所需要的線纜長度可是要超過 3 萬公里。不過在碳納米管這個前進(jìn)方向上，各國都在努力探索，其中我國在近年來就取得了重大突破。
▲在2010年國家太空電梯會議上，參觀未來太空電梯設(shè)計方案的前蘇聯(lián)工程師尤里·阿爾楚塔諾夫（圖片來源：the space elevator blog）
2013 年，在對超長碳納米管生長機(jī)理、結(jié)構(gòu)可控制備、性能表征等方面開展大量研究后，由清華大學(xué)化工系教授魏飛所帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊首次制備出世界上首個單根長度達(dá)半米以上的碳納米管，創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄。這就為未來制造太空電梯所需的線纜創(chuàng)造了可能。魏飛教授就曾談道 ：“我們所制備的碳納米管具有完美的結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的力學(xué)性能和宏觀的長度， 目前我們正在從事一米以上碳納米管的制備，下一步我們希望能夠制備出公里級以上長度并具有宏觀密度的碳納米管。這些工作將為太空電梯的制備開啟一線曙光！”
正是近年來一些尖端科技連續(xù)取得重大突破，原本只是在科學(xué)與科幻之間閃轉(zhuǎn)騰挪的太空電梯開始被科學(xué)家?guī)牍こ淘O(shè)計藍(lán)圖之中。1999 年，美國國家航空航天局（NASA）的馬歇爾研究中心發(fā)表了題為《太空電梯，太空的先進(jìn)基礎(chǔ)設(shè)施》的報告，從官方的視角對太空電梯的可行性進(jìn)行詳細(xì)論證，這是“太空電梯”這一概念首次獲得官方認(rèn)可。
▲美國國家航空航天局公布的未來太空電梯設(shè)想圖（圖片來源：NASA）
此后 , 從各大宇航官方機(jī)構(gòu)，到眾多有志于投資航天事業(yè)的企業(yè)，紛紛推出自己的太空電梯計劃，比如俄羅斯就曾計劃與歐洲太空署合作建造太空貨運天梯，美國則專門成立了名為 Lift Port Group 的公司專門進(jìn)行太空電梯的研發(fā)，日本也公布了天梯纜繩設(shè)計方案。
當(dāng)然，目前所提出的這些太空電梯的設(shè)計方案，在技術(shù)上還存在相當(dāng)多的難題，但人類畢竟已經(jīng)在運載火箭之外，開拓了另外一條連接太空與地球的思路。相信隨著技術(shù)不斷迭代發(fā)展，相關(guān)難點逐步迎刃而解，太空電梯或許離我們并不遙遠(yuǎn)。
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