【科普】太空电梯的可行性

“女士们，先生们，欢迎大家搭乘太空电梯。我们第一站将抵达月球平台，整个行程需要5小时，请大家在享受整个旅程之前系好安全带并坐好。太空电梯上升的过程中，大家可以欣赏玻璃窗外的景色，比如地球的球面变化以及天空将从深蓝色变成黑色，这应该是你看到的最为激动人心的景观之一……”

这听起来像科幻小说里的一个章节，但它或许某天将成为现实，因为现在科学家们正在考虑下一个遥远的太空运输系统——太空电梯

太空电梯并不是遥远的设想，我们100年甚至进50年完全可以实现，这是一个可行性很高的太空项目，它是人类进入太空的基石

主要用途

根据科学家们的设想，

太空电梯应该是一条从距离地面3.6万公里的地球同步卫星向地面垂下一条缆绳至地面基站，并沿着这条缆绳修建往返于地球和太空之间的电梯型飞船，往来运输物资。

太空电梯可以搭载包括大型太阳能发电机 、核废料 等各种物品，还可以载人。更重要的是，太空升降舱上天不需要携带大量燃料，预计所耗能量不过为宇宙飞船 发射的1%。英国的一项测算显示，用太空升降舱运送一个人和行李的费用仅相当于常用航天飞机运送费用的0.25%。

在进入太空探索时代后，造“太空电梯”是人类长久以来的梦想，每发射一次太空飞船所需的惊人费用让科学家重拾“太空电梯”的理念。在宇宙空间里建造超长的“太空电梯”，用车厢将货物运送到太空站或者空间基地，可以大大节省人类太空探索的成本。利用“太空电梯”运送游客，还能发展太空旅游业。电梯会携带太阳能发电系统，这样发出的电能不仅能支持电梯本身，多余的还能为地球供电。“天梯”还能当做信号发射塔，传输讯息。[2]

从上电梯后到3.6万千米的高空要花去7天的时间，即便每个电梯厢都在以200千米一小时的速度运动。对比之下，一架太空飞船的飞行速度能达到2.8万千米一小时，“天梯”走7天的距离太空飞船一个多小时就能走完。

太空电梯可以重复使用，由在轨基地的太阳能电池板供电;这种交通方式，是一种将人类和货物送入太空的低成本方式。

1、游客无须进行任何训练;2、电梯可重复使用;3、成本低。4、选择搭乘太空电梯这种方式，游客无需预先进行任何训练，让空间站成为一个真正意义上的度假胜地。

电梯结构

基座

基座基本上是在赤道上，因为这样从地球同步轨道上垂下来的距离最短。基座有提出固定式和漂移式两种选择，其中固定式的比较容易完善周边的硬件设施(发电器材、指挥所、太空港)，但漂浮式的，无论是海上的大型平台甚或是平流层中的大型飞行平台，都有借移动来躲避不良气候或太空杂物的可能，因此也有不少支持者。

缆绳

事实上称之为(缆带)可能更合适，因为如今的设计都倾向于使用一条扁长，像录音带那样的带子做为主缆绳。这条缆带也不会是从头到尾一样粗的 -- 据计算在地球同步轨道处缆带所承受的拉力最强，因此这地方会最粗，然后向两边变细来节省重量。缆带的材质问题是阻挠太空电梯发展的最大因素，人类已知的材料硬是没有一种能达到太空电梯所求的强度/重量比。最有希望的材质是碳纳米管，可是虽然个别碳纳米管能耐的张力已经达到承载太空电梯的标准，但拉成缆带后就无法维持这样的耐力了。不过倒也不必太担心：碳纳米管已经注定是未来一个极重要的研究方向，因为它的用途实在太多太多了。一但材料科学的研究以及大规模的生产起来，缆带终究会有解决的方案的。

电梯舱

电梯舱是在缆绳上爬的那个部份。太空电梯毕竟不是传统电梯，从天上垂一根超长的绳子下来把电梯吊上去是不太可能的 -- 电梯要自已想办法爬上去。最简单的方法是在电梯上装马达，带动夹着缆带的一组轮子转动，从而取得向上的动力。马达的电源可以从缆带上取得，或用装在电梯舱上的发电机，但这两种都会增加重量。比较省重量的方法是在电梯舱上装两片反光板，然后从地面发射激光将电梯舱「射」上去 。这 听起来很科幻，但实验表明，这其实是个可行的方案，只要激光够大能量。

太空站

最后，是在缆绳另一端的太空站。太空站是必须的，因为要抵消缆绳的重量。事实上，意想中的太空站不是放在同步卫星轨道上，而是更高一点点的位置，因为整条缆绳加太空站全

太空电梯

体的重心要放在地球同步轨道上才不会发生偏离。太空站的建造会相当麻烦，因为随着缆绳的加粗，太空站的位置要不断地调整。但一切顺利的话，到最后太空站除了可以当平衡锤之外，还可以当作人类前往其它星球的发射台呢!

美国的太空电梯竞赛已经三次以无人达到标准(每秒两公尺的上升速度)告终，但美国很认真的要继续推动这个技术的发展。日本则是投入了 73 亿美元发展自已的太空电梯技术，希望能在这个领域取得领先。谁先造出第一部太空电梯，几乎就等同于赢得了殖民外层空间的门票，因此可以想象当技术进步到一定程度之后，一定会引发新一波的太空竞赛。

预计耗资近百亿美元，值得吗?

太空电梯之所以能点燃各国的研究热情，成本方面是主因。据国际宇航科学院(IAA)报告统计：一旦太空电梯建立，携带负载进入太空的成本可由每公斤20000美元下降至500美元，足以为人类省下一大笔天文数字。

这主要是因为化学火箭的燃料占80%的空间，14%为主要结构，只有6%可以载人，发射以及回收成本高昂。相比之下，太空电梯则拥有小体积、低耗能的优点。

而且加拿大托特技术公司也估算过，太空电梯应用后，航天飞机的太空飞行成本能节省大约三分之一，大大提高人类造访太空的频率，此举将开创人类探索太空的新纪元。为此，目前全球已有数个太空电梯项目在加快步伐执行。

1991年，碳纳米管被日本研究员饭岛意外发现，这种新型材料具有拉伸强度高、抗形变力强等极佳的力学性能，被科学家认为是制作电梯的最理想材料。

8年后，受美国国家航空航天局(NASA)资助，洛斯阿拉莫斯国家实验所布拉德利·爱德华兹博士制订出使用新型碳材料制造太空电梯的方案，并发布了用碳纳米管材料制作太空电梯的可行性报告。而且他指出，太空电梯的成本为70—100亿美元，这远远低于大型的太空项目。

时光转到21世纪，美国、日本等国越发重视对太空电梯的研发和建造。2005年3月23日，NASA正式宣布太空电梯已成为世纪挑战的首选项目。

2012年新加坡《联合早报》曾报道：日本大林建设公司首次完整提出太空电梯计划，并声称能在2025年开始建造太空电梯，预计在2050年完成一个太空电梯建造项目，其所设计的太空电梯缆线全长为地球到月球距离的1/4，约有9.6万公里。

2015年8月，英国《每日邮报》报道称：加拿大的托特公司计划建造一个高度约两万米的太空电梯。该公司已获得一项美国专利权用于建造独立塔状结构，可从地球表面向空中延伸至万米，这个太空塔的高度是世界上最高建筑物(迪拜的哈利法塔)的20倍。

找到制造材料是最大挑战之一

根据科学家们的设想，太空电梯其主体由五部分构成：地面基座、缆绳、电梯舱、太空站和重量平衡器。

其运作模式大致如下：从距离地面3.6万公里的地球同步卫星上“抛”下一根缆绳下垂至地面基站，在引力和向心加速度的相互作用下，缆绳被绷紧;电梯舱则沿着缆绳往来运输人和物;此外，为保持平衡，在太空站远离地球的另一侧也要架设数万公里的缆绳索道，并在缆绳末端连接一个重量平衡器。整条缆绳全长约为10万公里，相当于地球到月球距离的约1/4。

那么在现实中要建造太空电梯，挑战在哪里呢?

从哥特式大教堂到摩天楼再到太空电梯，在建造任何高层建筑时，坚固度和平衡重心都是两大关键。不过直到现在，可用于制造太空电梯所需绳索的材料仍屈指可数。

2014年，Google X的快速评估研发团队也开始太空电梯的设计，但最终发现没有人制造出超过一米的完美的碳纳米管链。因此他们决定把这个项目“深度冻结”。

由此来看，建造太空电梯最大的挑战之一，在于找到制造电梯缆绳的材料。一根普通的钢丝从9公里的高空中垂下来会被自重所拉断。好在碳纳米管的发现，让人们又重新燃起了希望。细小且强度可与金刚石媲美的碳纳米管，居然柔韧性极佳，并且可制成纤维。据测算，一根宽1米、薄如纸的纳米管缆带，就能支撑13吨的重量。

2014年9月，美国科学家宾夕法尼亚州立大学的化学教授约翰·巴丁在《自然材料》上发表文章称：他们研发出超细、超坚固的纳米线，比之前发现的碳纳米管更坚固和牢靠。“我们的纳米线就像是一个由尺寸最小的钻石串成的微型项链，其中一个最疯狂的梦想就是用于制造超级坚固的轻型绳索，让打造太空电梯的梦想成为现实。”巴丁说。

当前，太空电梯不再被认为是一个“超前命题”，这个项目逐渐被美国NASA，欧洲航天局(ESA)等研究机构所接受。而且随着新材料科学的发展，太空电梯开始从幻想走进现实，不再是那么遥不可及。

也许一旦太空电梯运用后，太空旅行将成为我们日常生活的一部分，就像石器的发展打开了人类祖先广阔的新栖息地，并改变他们的生活方式，未来的太空电梯或许也将改写人类的命运。

建设计划

俄罗斯

最早提出太空天梯设想的人是俄罗斯著名学者齐奥尔科夫斯基。他提议在地球静止轨道上建设一个太空城堡，和地面用一根缆绳连接起来，成为向太空运输人和物的新捷径。

所谓地球静止轨道，是因为当在该轨道上的航天器以每秒7.27×10-5弧度的角速度绕地球运行时，正好与地球自转的角速度相同，故从地面上看去，好像固定在太空中不动一样，因此才被称为地球静止轨道。正缘于地球静止轨道的这种特殊功能，齐奥尔科夫斯基才提出在它上面设置一个太空城堡，垂放一根缆绳锚在地球赤道上，就可成为通向太空的天梯。这架梯子可以笔直地通向静止轨道，在无外力影响时它不会弯曲，能成为通往太空的运输线。

据俄罗斯《真理报》报道，“太空电梯”——这个世界上独一无二的设想将在最近几年有突破性进展。受欧洲太空署委托，俄罗斯萨马拉太空大学的科学家一直在研究建造这种可以把许多物品从国际空间站送回地球的装置。

报道称，俄罗斯萨马拉城的科学家已将“太空电梯”的研究工作进行到工作收尾阶段。这部“太空电梯”的主要工作原理其实并不复杂，装有货物的太空舱通过一根30公里长的特别牢固的缆绳送回地球。虽然缆绳很长，但其重量不会超过6公斤，需要用特别材料制成。当其进入大气层后，缆绳会燃烧，而货物则接着依靠气球继续缓缓地落向地球。

美国

1970年，美国科学家罗姆·皮尔森进一步完善了太空天梯的设想。1999年，美国宇航局马歇尔中心的先进办公室发表了《天梯:太空的先进基础设施》一文，标志着天梯将从幻想走向现实。

2004年6月30日，在华盛顿召开的第三届国际天梯会议上，专家们对天梯这一宏伟构想进行了探讨。时隔仅仅9个月，2005年3月23日，美国宇航局正式宣布太空天梯已成为世纪挑战的首选项目。以研究天梯而著称的西弗吉尼亚州费尔蒙特科学研究所的布拉德·爱德华兹博士在论文中写道：“天梯可以使人类历史实现跳跃性的发展。”他认为自己构想中的初版天梯可能在2019年问世，其成本大约为70亿~100亿美元，与人类其他大型太空工程相比，这项费用并不算太大。

太空天梯一旦建成，就可昼夜不停地开展运输工作，把旅游者和货物送入太空，并大大降低运送费用。如今火箭发射或航天飞机运送每公斤有效载荷约需2万美元，而太空天梯运送每公斤物品仅需10美元，从而能够推动空间技术实现跨越式发展。

在月球上建天梯

2012年，由美国航空航天局前工程师迈克尔-莱恩创办的电梯港集团公司宣称，由于在月球上建太空电梯比在地球上建更容易，所以该公司可用现有技术在月球上建造一座太空电梯，并表示这一想法能在8年内成为现实。

“大约在六个月前，我们的研发工作取得了根本性突破，我们认为这一突破将改变人类文明”，前美国国家航空航天局工程师、现任美国电梯港集团总裁迈克尔·莱恩表示，这个突破性的进展可以让他们借助现有技术，让搭载人造卫星的火箭进行月球单程之旅，以及成功建造能够在月球使用的太空电梯，而这一想法可能在八年内实现。

据报道称，该公司开发的“太空电梯”系统，计划首先利用缆绳测试该系统，然后才推出月球系统。该公司研究人员最终希望使用一个“太空电梯”把月球和空间站连接起来。为了实施这个庞大的计划，他们在网上发起了一项集资活动，希望为月球“太空电梯”筹得第一笔资金。资金主要用于创建一座与地面相连的悬浮球载平台，这样机器人可以借助它向空中上升1.2英里(约合2000米)。

2001年到2003年期间，莱恩先是与美国国家航空航天局先进理念研究所的团队合作，共同开发“太空电梯”。2003年，他加入电梯港集团，通过实验实现了让机器人在悬浮球载平台的帮助下向空中上升了1英里(约合1600米)的试验。

由于经济危机的影响，该公司在2007年到2012年期间曾被迫关闭，很多人已经离开并参与到其他项目的研发当中。莱恩说，他们正在培训一个新的合作团队。据了解，该公司进行一年的可行性研究至少需要300万美元。

该公司希望，如果这项技术成功的话，也可以应用在地球上的其他领域。比如，它们还可以在地球上充当廉价的通讯塔，以帮助提供无线网络、监控农作物生长、预防森林火灾，若在上面安装摄像机，人们还可以借助它来观测一些自然灾害的后续情况。

日本

日本建筑公司大林组计划建造一部太空电梯，将游客送入距地面约合3.6万公里的太空。太空电梯的缆绳将与太空中的一座空间站相连。根据大林组的计划，太空电梯梦想有望在2050年成为现实。

日本大林所设计的太空电梯缆线，全长为地球到月球距离的大约四分之一，这相当于9.6万公里。电梯缆线固定在地球地表一个定点上，另一头系着一个起平衡作用的铅坠。电梯电缆的中间部位是一个太空站，该太空站内将建设实验设施及居住的空间。据介绍，升降机每次可以同时搭乘30名游客升入卫星空间站中，让他们有机会“站”在太空中欣赏宇宙美景。据悉，升降机需要花费一周的时间才能到达空间站，但乘客们基本不需要接受任何太空旅行方面的训练。

该太空电梯被命名为“东京天空之树”，高2080英尺。这座高塔还将作为一个数字广播天线，陆续不断地吸引东京以及更远地区的太空观光游客。Satomi Katsuyama说：“我们的专家对建筑、气候、季风和设计等方面进行了综合分析，他们表示这座太空电梯具有一定的可行性。”

2012年，日本的大林组建筑宣布预期在2050年就能完成一个“天梯”的建造项目。这个项目能将乘客带到3.6万千米的高空太空舱俯瞰地球，而电梯的总建造高度将达到9.6万千米。

2012年，大林组首次完整提出“天梯”计划，为此他们邀请所有日本的大学参与进来，共同研究“天梯”所需要的技术。大林组自信能在2025年开始建造太空电梯。“天梯”需要轻而耐重的材料，纳米管就是极佳的选择，然而现在的技术障碍是大林组还不能造出足够长度的纳米管，能造出的只有三厘米长。预计每个电梯厢能装下30名乘客。但是“天梯”项目到底能不能创收是未知数，“天梯”维护计划也没有出台。

日本建筑业巨头大林组公司表示，“太空电梯”将在2050年之前竣工，能把人抬高9.6万公里，直接进入太空。届时，每个电梯间能坐30个人，在磁力线性发动机的推动下向上爬升7天，就能从地面直接到达在太空中新建的空间站。另外，“太空电梯”的费用还不到航天飞机的一百分之一。要知道，航天飞机平均运送1公斤货物耗资2.2万美元，相对而言，“太空电梯”仅花费200美元。

专家们曾于2012年召开研讨会，肯定了“太空电梯”的可行性，同时认为，这样一个庞大的项目必须通过国际合作才能实现。而一旦有了“太空电梯”，人们就不必完全依赖航天飞机了。

大林组公司的研发经理表示，“太空电梯”的梦想之所以能够实现，得益于碳纳米技术的发展。“纳米材料的抗拉强度几乎比钢铁高出100倍……现在我们还做不出来那么长的纳米缆绳，最多只能做到3厘米……但是在2030年之前应该能够做到。”另外，日本神奈川大学的研究团队负责机械电梯间的研发工作，致力于改善升降以及刹车系统。

衍生问题

有专家曾经指出，纳米碳管还只是毫米级制品，距实用差距甚远;向3万多公里外的太空发射各种电梯建设材料花费巨大;这种“太空电梯”一旦因严重事故崩塌，空中和地面的损失也将十分惊人。专家们认为，面对这些难题，“天空电梯”短时间内恐怕很难开工。

还有，当太阳风 向太空电梯施加压力时，来自月球和太阳的重力作用将使绳索变得摇摆不定。这将有可能使太空电梯摇摆造成太空交通障碍，太空电梯也可能会碰撞上人造卫星或者太空垃圾残骸，这样的碰撞将导致绳索断裂或太空电梯失事。为此，太空电梯必须在内部建造推进器，以稳定太空电梯致命的摇摆振动，但这又将增加电梯建造的难度和建造维护成本。