大胆到令人发指的太空电梯 人类能制造出来吗？

随着人类的冒险之旅逐渐延伸到太空中，就有了把我们所需的物资送入太空的挑战。长期使用火箭是不切实际的，火箭可怕的燃料需求量让旅程变的昂贵。并且作为一次性的运输工具火箭很不“环保”。那么，最理想的答案就是太空电梯——一个巨大的“杰克和魔豆”似的建筑物——连接太空与大地。

然而建造太空电梯所要面对很多目前仍无法解决的问题：技术难题、后勤保障不足、政治交流障碍等等，都使得太空电梯计划更加遥遥无期。

Kenn Brown提出的太空电梯设想图

太空电梯的设想由此而来：建造一条从地球表面延伸到地球同步轨道长达22000英里（35400公里）的电缆。一旦架设稳定，激光驱动的缆车将登上电梯，把货物运送进太空。

不得不说这是一个惊艳的设计方案。但一些专家学者也指出了其中一些必须要解决的难题。

难题#1：现有材料的强度不够

这是最大的一个问题，也是一个无法跳过的问题。

Keith Henson ,一位研究太空殖民和相关航天工程近40年科学家、工程师，同时也是美国国家空间协会的创始人之一，在早前一次访谈时他表示并不看好太空电梯计划。

“就已知的导电材料而言，没有足够的抗拉强度和足够小的密度。目前暂时还不存在能满足这些条件的材料，纳米碳管也不行。”事实上，纳米碳管是最有可能成就太空电梯的材料。毋庸置疑纳米碳管是一种已经被近乎神化的材料。纳米碳管中由碳原子之间形成的sp2键赋予其卓越的强度和硬度。但能用于实际的材料强度只有理论值的2/3，同时当碳碳键被装载到这样一个极端的程度时，纳米碳管中的六角键就会转变成不稳定的5至7角键。这是一个巨大的安全隐患。（这可不如丝袜跳线那么平常普通。）

一个很大的忧虑是，当应变很大时，纳米碳管建造的电缆可能会崩溃。根据一些初步建立的模型，电缆将承受的应变能大于十万kN/（kg/cm3）。这需要材料有非常大的比强度（拉伸强度/密度）。而有学者认为，即使使用纳米技术也制造不出这样的高强材料——最起码现在的技术水平还不允许。氮化硼也是一个呼声很高的候选者，但目前没有人能做出碳纳米管氮化硼材料，所以它仅仅是理论上看似能做出的材料。

当然，也有学者不认同以上观点。Bradley Edwards，前洛斯阿拉莫斯国家实验室的物理学家，根据他已经开展的太空电梯的相关研究证实：纳米碳管完全可以胜任太空缆绳。

“纳米碳管的发现使得太空电梯从科幻作品向现实使用迈了一大步 。”纳米碳管密度只有水的30%，强度却是钢的32倍。由此纳米碳管拥有1000公里的理论断裂长度。

纳米碳管是一种微观结构的物质：单管的抗拉强度高达120GPA，但理论上可以达到300GPA。Bradley Edwards认为：“安全的轨道系统抗拉强度至少为130GPA。”但是怎么才能制造出10万公里长的纳米碳管？尚无人掌握此项技术，至少目前没有。当下能制造出的的纳米碳管只有几英寸长、几纳米宽。假设这种材料能承受如此巨大的载重拉力，但在有工程师能将纳米碳管长度扩展到几千公里之前，太空电梯计划仍旧只是一个高度概念化的设想或者一个缺乏说服力的概念。

难题#2：易受到危险振动的影响

这个难题是：基电缆的运动，和缆绳的鞭甩可能带来的振动。捷克科学院、天文文研究所的Lubos Perek警告说：“来自月球和太阳引力的拖拽以及太阳风的压力将摇动电缆。这些未知潜在的剧烈运动可能使电缆转向卫星轨道或者太空垃圾（另外一个难题马上会提到）。”

而无论是作为地球同步轨道卫星（CEO）的初始阶段，还是在被称之为“吊绳”的运动阶段。缺乏抗弯曲性和弯曲性都会对电梯的稳定性产生深远影响。

一个补救办法是安装推进器，连接到电缆的推进器可以抵消所产生的振动。但这也可能会是另一个“难题”。

事实证明电缆需要推进器。而由此也会带来巨大的挑战：每隔一定距离在在电缆上安装推进器所附带的推进器加油、升降平台如何绕过他们以及其他物流都给电梯维护带来了巨大的麻烦。同样的曾在2003年为NASA撰写过详细太空电梯计划概念研究的Bradley Edwards也不赞同系绳安装推进器的想法，同时指出这样做使得攀登平台功能硬件操作过于复杂。

最后，谐波振动可能造成另一个问题（电缆具有固有的共振频率）。如果由攀登平台造成的振动动能能量超过最大限度，那么必须增加一个润滑系统来补偿。这使得整个系统变得越来越笨重，设计方案也会变得更复杂。

难题#3：缆车会引起更多的摆动

缆车自身带来了一个问题：摇晃。由于科里奥力（简称：科氏力）从而影响旋转系统中的对象——缆车和电缆被强制向地球自转方向反方向运动。

根据加拿大蒙特利尔麦吉尔大学的机械工程师 Arun Misra和Stephen Cohen的说法，在MAD空间，科氏力会拉动电缆远离其垂直静止位置，导致它像钟摆一样来回摆动。这样的结果是：即使由很小的摆动也会引起偏差，从而致使在最终点和预定轨道相去甚远。电缆的摆动也会使缆车运行的速度忽高忽低。工程师解释：“这可能导致缆车水平偏离轨道几十或者几千米，在垂直轨道上过高或过低。”

解决办法：让升降平台像一群精心编排的爬虫一样以及其缓慢的速度上升。事实上，科学家预计一趟旅程将耗时一个月时间。

难题#4：卫星和太空垃圾

还要考虑到轨道上的障碍。即使以上问题均得以解决，还有一个另外的问题需要处理——太空垃圾和有源卫星。 “你必须找到这些障碍，并一一清理，除非你在所有的卫星上安装了规避系统，当然地球轨道同步卫星除外。”太空垃圾以及卫星和电缆的碰撞不可避免，这些碰撞所产生的冲击足够把缆车撞个粉碎。“给卫星设置规避功能很容易，”他说，“但必须要在一定期限內清理所有的太空垃圾，因为他们的轨道是不可控的而且电缆是不能左右移动的。但是垃圾足足有6000多吨。”

Henson认为在太空建立起一个巨大的激光发射器能有效清理所有的太空垃圾。“如果要在宇宙中建立起一个激光发射器就要消耗更多的资源，这样还不如继续使用氢火箭并提高它的运载能力来取代太空电梯。”他补充说道。

难题#5：社会和环境的风险

也有非技术方面的难题。从设计到建造出太空电梯将不可避免的面临诸多挑战。例如：太空电梯可能会成为恐怖袭击的目标；一个微小的操作失误将给电梯造成巨大的伤害并带来巨额的维修费用。因此每个电梯不得不串联运行全天候监控的防御措施。

环保主义者也可能会因为太空电梯带来的某些后果而反对建造太空电梯。“如果输出的物质比输入的多，”Henson说“那么会影响到地球中心与电缆铆钉点之间的刚性。”因此电缆在空中斜靠着地球，拖拽向地面。这种状态会使地球自转减慢。这可能又会给某环保组织落下口舌：树立一个“我们要保护角动量的”之类的竞选议题。当然这Henson这么说只是半开玩笑。虽然太空电梯对地球角动量影响不超过几纳秒，但是他很担心有人会借机大做文章。

其他的问题

上述列出的五个问题是迫切需要解决的，但他们并不是唯一麻烦，其他问题包括：
①流星和陨石。
②（材料）腐蚀。
③辐射和电离。
④经过范艾伦辐射带（对人类非友好的危险辐射带）的路程。

不过，太空电梯或许可以在月球工作

如今，所有的一切都显示出：太空电梯概念不应该被排除——就算地球上用不了。或许月球可以一试。

“事实证明，虽然太空电梯对地球意义不大，但对于月球来说情况完全不同。”Henson表示。月亮的自传不够快，所以可以建立一种不同类型的电梯，这种电梯的顶端铆钉在地球的重力场中。在这种情况下，电缆在月亮运行通过 拉格朗日点时，可以从它那里下垂到地球重力场中，并在其顶端形成一个巨大的平衡立场。

然而，如果每天运输1000吨货物离开月球表面将至少需要100,000吨重的电梯系统来完成。这意味着电梯用在自己回传中的时间只有一百天，或者说每年运输自身重量三到四倍的货物——这是一个高额的回报率。至于建造做需要的材料，这在月球上完全不是问题。因为不需要纳米管和强度很高的材料。但建设材料强度越高运输量也就越大。”他说。

Henson设想了一种构造，在这种构造中电缆的死循环从月球的表面和背面开始运行。“然后有效的负载和一个15兆瓦的发电厂将每天输送1000吨货物。整个电缆长度将达到19000千米，因为已经证实这个距离刚好达到霍曼转移轨道的的顶端。”

不用多说，在月球上太空电梯建造太空电梯有巨大的意义，但仍然没有解决地球上所面临的负载问题。

参考链接：Why we'll probably never build a space elevator

文章由糯米提供素材，新锐编辑毕瑜整理完成。