太空电梯距现实依然“还差25年”

-2024-08/24  环球时报 作者：晨阳

科幻电影《流浪地球2》的高潮是在太空电梯上激烈打斗。

早在2012年日本著名建筑公司大林组就提出了建造太空电梯的计划：2025年开工，2050年完工。如今，该公司和业内专家后感叹，太空电梯距离现实似乎仍然“还差25年”。

大林组在2012年完成高达634米的东京晴空塔建造工程后，提出建造太空电梯的计划。但在2024年6月承认，目前需要解决的课题仍然堆积如山，离开工建设仍有距离。

英国《新科学家》网站刊登的太空电梯概念图

最早关于太空电梯的设想，由“航天之父”俄罗斯科学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基于1895年提出。他受巴黎埃菲尔铁塔启发，设想在地面上建设一座超高的铁塔，直通地球同步轨道，然后搭乘内部电梯就可以进入外太空。

这个设想此后几经变迁，如今已经基本定型：通过超强结构的线缆将太空站和地球表面连接，可以方便地运送人和货物在天地之间往返。

大林组细化的设计方案：在赤道海面上建立“地球港”基地，通过碳纳米管材料制成的线缆，连接位于不同轨道高度的太空设施。例如在高度约300公里的近地轨道上布置“近地轨道卫星投放门”，从这里可以将从地球运来的人造卫星释放到轨道上；3.6万公里高度的地球静止轨道上设置“静止轨道站”，由居住单元、实验单元、舱外实验单元等组成；在9.6万公里的最顶端设有平衡整个结构的平衡锤。此外还会根据不同高度的重力情况，设置“火星重力中心”和“月球重力中心”（重力等同于在火星或月球上）等实验设施。按照大林组的计划，从地面搭乘时速约200公里的“升降机”，经过1周左右即可到达静止轨道。

大林组甚至明确提出具体的建设方法：首先，在高度300公里处组装建造太空电梯用的宇宙飞船，然后将宇宙飞船移动到地球静止轨道，从宇宙飞船向下释放碳纳米管线缆，与地面连接并固定，之后在线缆上安装升降机。升降机在地面和太空之间穿梭运输材料，建设空间站等设施。渕田安浩表示：“预计电缆加固总共需要510次，到完成为止共需要大约20年时间”。

太空电梯堪称“从地球前往太空的梦幻运输工具”。目前人类进入太空的成本太高，“阿尔忒弥斯”火箭每次发射耗资41亿美元，成本最低的“猎鹰9”号可重复使用运载火箭，平均发射成本为每磅1227美元（约每公斤2700美元）。相比之下，太空电梯不需要火箭或燃料，利用电磁技术为升降机提供动力，借助太阳能或微波技术远程输电。太空电梯可以将货物运送到太空的成本降至每磅57美元。同时升降机的运行速度比火箭慢，可以减少振动，这对将敏感设备送入轨道非常重要。

太空电梯一直停留在空想阶段，是因为缺乏制造连接地球和太空的超长线缆所需的兼具轻巧和强度的材料。线缆必须非常坚固，才能承受自身的巨大重量以及太空设施带来的张力。钢铁等常规金属材料无法满足需求。升降机与线缆摩擦产生的热量在太空的真空中很难消散，也很棘手。

1991年，碳纳米管材料被发现，太空电梯具备了可实现性。理论上碳纳米管强度可达200Gpa【200根比头发丝还细的碳纳米管就可以拉起一辆汽车】。它兼具高分子和金属的优势，密度仅为钢的1/6，但弹性模量是钢的5倍，抗拉强度是钢的100倍，常温下热导率也远超其他金属材料。被认为是制造太空电梯超高强度线缆的理想材料。

太空电梯的线缆并非是将多根碳纳米管组合以增加强度，而是需要制作长度达到9.6万公里、分子与分子之间相连的单根碳纳米管。目前只能制造出不到1厘米的符合相关要求的碳纳米管。

除了没有合适的线缆材料，太空电梯还面临其他技术挑战。例如太空中的空间碎片对于在轨航天器的威胁，强宇宙辐射和剧烈温差的持续影响、大气层内风暴与雷击等极端天气的威胁，还没有明确的方案。

此外，为确保太空电梯的太空部分与地面部分保持同步，需要将其建立在赤道上，海上气候变化较大，风暴袭击，安防挑战，建造费用极其昂贵（约合68亿美元）以上。

因此，要让太空电梯成为现实，需要各方合作，目前仍在寻找合作伙伴。