資料來源： 東方網
2003年11月2日
太空電梯運作的模擬圖
100億美元打造通天之梯 自從前蘇聯宇航員加加林第一次遨游太空開啟了太空時代以來，那 些向往更廣闊的宇宙空間的科學家們就無時無刻不在夢想著創造更 加便捷的方式，讓人類能夠方便地往來于地球和太空之間。目前， 傳統的依靠火箭發射和航天飛機往返太空的方式由于其巨大的成本 使人類不能夠大規模地對空間進行開發，而且也只能使極少數的人 能夠到太空走上一遭，但是這種狀況將在本世紀內得到改觀。 9月16日在美國新墨西哥州首府聖達菲召開的研討會上，70多位科 學家和工程師們就登上太空的更為方便和經濟的方法──太空電梯 的建造進行了更為深入的討論。在為期兩天的討論中，科學家們致 力于將一個夢想在一個世紀或者十多年內變成現實，即建造太空電 梯，它能夠用來發射人造衛星和宇宙飛船，甚至能沿著數萬公里長 的垂直軌道將人類方便地送上太空。 這聽起來更像科幻小說而非科學計划，事實上當美國物理學家皮爾 森1970年提出太空電梯的概念時，人們對他的建議就是“改行寫科 幻小說去吧”。太空電梯的夢想最早見諸于書面是科幻小說家阿瑟 ﹒Ｃ﹒克拉克1979年創作的《天堂之泉》，當然，最初公眾的反應 也只是一笑置之，當年克拉克接受采訪時頗為不滿地表示，只有當 大家不再嘲笑時，建造太空電梯才有現實可能，他據此預測，大概 要50年后大家才會認真對待這一概念。三十几年來，建造太空電梯 的想法一直徘徊在科學推論和科幻小說之間，不過四年前的一次科 學家聚會讓人類第一次認真地思考如何將這個幻想變成現實。1999 年，一群來自頂尖的工程學院和從事空間研究的公司的科學家以及 美國宇航局的專家在美國馬歇爾飛行中心召開研討會，討論建造太 空電梯將會遇到的種種難題，而他們得出的結論是：建造太空電梯 在理論上是可行的，人類將會在21世紀的后半葉實現通過電梯向太 空中輸送人員和物資的目標，屆時的太空電梯將會象人類現存的公 路、鐵路、電纜和管道一樣，為人類打開通向太空的方便之門。這 次會議之后，從事空間研究的科學家組成了松散的科研聯盟，與太 空電梯有關的研究項目也迅速展開了。 近來，工程師們指出，在材料科學方面的進步尤其是碳納米管的發 展意味著太空電梯這樣的設備開始獲得廣泛的關注，同時就意味著 克拉克的小說不再是純粹的科幻小說。另外，美國國家航空和航天 局也不再對這一科學幻想進行嘲笑，他們目前正把數百萬美元投入 到這一開發工程上。 一步登天有理有據 科學家已經從理論上排除建造太空電梯的難題，只要有合理的結構 和合適的材料，人類暢游太空將更加容易。 太空電梯的核心部分是一條距離地球的表面將近十萬公里長的纜繩 。靠近地球的一端將被固定在可能位于太平洋中部某個地方的基座 上，而另一端將連接到一個在太空中圍繞地球進行同步軌道運行（ 與地球的位置保持恆定不變）的小行星上，而小行星以及纜繩本身 所具備的動力將能夠使纜繩繃緊，以便電梯艙或者運輸車等運載工 具能夠上下穿梭。在纜繩距離地球約3．6萬公里的位置，物體就能 夠脫離地球的引力，進入到完全失重的環境。其后，物體可以被“ 彈射”進入太空軌道。 要想建造這種太空電梯，就必須把一個與地球同步旋轉的人造衛星 放置在承載盤成圈狀的纜繩的軌道上，然后把纜繩重的那一端扔向 地球，同時另一端在太空中展開。而電梯艙就能夠從地面上爬上纜 繩，把人造衛星、空間探測器甚至太空觀光者從一端送到另一端。 剛開始用來發送纜繩的人造衛星應該能夠提供足夠的張力，以便第 一批運載工具可以順利到達太空。這些升降機能夠將履帶軌道固定 在纜繩的兩端，并且依靠從地面發射的激光轉換成的電能作為動力 加以推動。 關于建造太空電梯在技朮上的可行性，美國宇航局負責從事先進太 空飛行技朮理論研究的科學家史密斯曼說，最大的難題在于：物體 要在距離地球3．5萬公里的位置才能完全擺脫地球的引力作用，因 此電梯塔的最低高度也要在3．6萬公里，這么大的高度導致電梯塔 自身的重量成為巨大的負擔，要想使它穩穩地“站”在地球上，基 座的大小就要占據一半的地球表面，這顯然是不現實的。另外，建 造材料的選擇也是個難題：直立鋼結構的高度達到將近5公里時就 會被自身的重量壓垮，鋁最多可以達到15公里，而目前人類所掌握 的最輕的材料環氧碳合物和環氧硼合物所能達到的高度也不過是12 0公里左右，即便是人類成功研制出目前所能研制的最先進材料， 達到的高度也距離要求甚遠。 從事高強度材料應用研究的科學家都明白一個原則：物質的抗拉伸 能力遠大于抗壓能力，人類目前研制出的最能抗拉伸的材料是環氧 石墨多晶體，（在懸挂狀態下）它能夠承受自身重量的長度是184 公里，因此，如果太空電梯的結構設計合理，電梯塔自身所受壓力 可被轉化為拉力。 美國宇航局的蘭蒂斯曾建議把電梯塔的結構設計成重量輕內部空的 密封結構，使它本身如同具有浮力的氣球，這樣電梯塔就可以由抗 壓結構轉化為抗拉結構，這種設計可以使它的高度達到3000公里。 不過這個高度距離要求依然很遠，而且在建造過程中，如何處理結 構與結構之間的連接是個大問題，因此，史密斯曼推論說，將來理 想的結構應該是高塔與密封抗拉結構的結合體。 這樣的結構與科幻愛好者所幻想的太空電梯有很大的不同，他們心 目中的太空電梯就是如同前文中所描述的依靠小行星提供平衡的纜 繩，但是科學家們計算的結果表明，這樣的結構同樣遇到材料選擇 的難題。纜繩的材料要求同樣是既結實又足夠輕，此外還要具有一 定的柔韌度以避開太空垃圾或者太空漂浮物的撞擊，這就是碳納米 管發揮作用的時候了。碳納米管是一些極其微小而且纖細的真空管 ，它們像鑽石一樣堅硬但柔韌度足以使其被制成纖維。在理論上， 大約一米寬的像紙一樣薄的納米管就可以支持太空電梯的重量。然 而沒有一個科學家能成功地制造出這種纖維。不過，來自肯塔基大 學的納米管專家羅德尼﹒安德魯指出，如果有關如何連接納米管和 在他們之間轉移或卸載以形成復合材料的基礎科學沒有取得突破的 話，那么科學家就需要尋找新的合適的材料。另外，材料自身抗拉 伸能力使得軌道索連接在地球一端的粗細不大于手指頭，而在脫離 地球引力的部分，其直徑大小不在是什么問題，可以是几米，也可 以是几公里。 史密斯曼在總結這些結論時說，只要有合適的材料和合理的結構， 建造太空電梯并非遙不可及。美國宇航局從事這方面研究的科學家 目前比較傾向于科幻愛好者提出的方案，他們希望軌道索連接在地 球上一個25公里高的高塔上，目前人類還從來沒有建造過這么高的 建筑物，不過這些科學家相信依靠現有的材料和工程機械能夠完成 這樣的建造工程。 占領太空有利武器 太空電梯將使人類能夠更加方便地開拓太空，而擁有太空電梯的國 家則能比競爭對手搶占更大的“空天”優勢。 目前在太空電梯研究方面比較積極的是美國西雅圖太空電梯系統公 司，他們獲得了美國宇航局57萬美元的科研資助。該公司負責人日 前透露說，太空電梯項目進展順利，他們正在進行相關的技朮研發 ，目前電梯模型已經完成，初步考慮太空電梯將用時下最流行的納 米材料制成。公司已經成立了由科技界名流組成的技朮顧問團，投 入約1300萬美元進行相關問題的研究，研究重點是石墨納米管對太 空環境的適應度，尤其是對太空垃圾的承受力，而美國總統布什也 在去年批准了一項總額1100萬美元的政府撥款以促進這方面的研究 。 由于該公司的積極投入，他們有望在明年底拿出太空電梯的最終設 計。公司主管愛德華博士對公司目前工作的進展表示滿意，近几個 月來，該公司與美國航空航天局等多個機構進行了聯系，并得到了 支持，同時該公司還收到了其他州的請求，他們愿意提供誘人條件 ，要求把太空電梯建在他們那里。歐洲一些國家，還有加拿大也提 出了類似要求。目前該公司似乎是在等待最優惠的條件以決定到底 把太空電梯建造在什么地方，同時該公司甚至計划，如果美國聯邦 政府不打算提供任何經濟支持，他們也許會考慮把地點選擇在國外 的某個地點。不過，從科學的角度來看，太空電梯的基座還是在太 平洋中的某個地點最好，要選在距離航空器路線和運輸通道几百里 遠的地方，而且要位于一個暴風雨、閃電和巨浪較少的海域，這對 于這樣一個龐然大物的安全運行至關重要。 愛德華說，他完全相信建造太空電梯技朮上不成問題﹔現在最頭疼 的其實是研發資金緊缺。雖然已有多家公司及私人投資者向項目投 錢，總額有几百萬美元之多，但他們接觸到的多數人認為太空電梯 回報周期太長，不值得投資。到目前為止，公司已籌集到約4000萬 美元資金，其中大部分將用于太空電梯的設計、制造及測試。這相 對于項目所需的100億美元，簡直是九牛一毛。 太空電梯的建造將使火箭作為人類往返太空與地球之間的運載工具 變得不再實用，但火箭仍有其使用價值，太空電梯只能夠用來供人 類做短途的空間旅行，對于探索火星和更遠的外太空來說，火箭推 進設備仍然是不可替代的。由于太空電梯可以大規模的運送人員和 物資，可以產生規模效應，使得把1磅重量的物體送入太空中的成 本由原先的10000到40000美遠降低到100美元，這樣將物體送入太空 的成本只是目前各種運載工具開銷的“零頭”，因此，一旦太空電 梯問世，屆時太空旅行也許將真正進入大眾時代，而擁有太空電梯 的國家則能比競爭對手搶占更大的“空天”優勢。愛德華大膽地預 言說，“未來，有可能造出10部這樣的電梯，也有可能造出延伸到 月亮和火星的巨型電梯梯”總之，“造出第一部太空電梯的國家可 能在未來100年擁有整個太空。” |
建造在太平洋中某個地點的高達２５公里
的電梯塔（電腦設計圖）
在空間旅行即將到站的時候，旅客一定
要把自己的身體固定好，否則，空間失
重環境很可能把人推向無邊無際的太空
中一去不返。（電腦設計圖）
編輯:小喬 來源:信息時報 11月2日 作者:阿哲