在近日上映的國產(chǎn)科幻片《流浪地球2》中，太空電梯這一重要建筑物引發(fā)了許多觀眾的好奇。在互聯(lián)網(wǎng)上，對太空電梯的科學合理性討論也層出不窮。
事實上，太空電梯并不僅是單純的科學幻想，也是一條理論上可行的未來技術(shù)方向。
圖注：流浪地球2中的太空電梯
一、太空電梯是什么？
顧名思義，太空電梯是一座巨大的電梯，其底端位于地表，頂端則位于高度約36000Km同步軌道（也被稱為地球靜止軌道）。
圖注：太空電梯的簡單示意
具體來講，太空電梯有三個部分，第一部分是地表的基座，在《流浪地球2》中，基座是一座位于加蓬的巨大陸基設(shè)施。在現(xiàn)實的討論中，許多人認為基于海上移動基地的基座方案更具有可行性，可移動的站點能有效地規(guī)避各種地球天氣問題和軌道碎片?；仨毼挥诔嗟赖貐^(qū)，否則無法使系統(tǒng)的重心處于需求的軌道。
第二部分是系纜，用某種性能強大的材料作為纜繩，聯(lián)接底部基座和頂部的配重結(jié)構(gòu)。
第三部分是軌道站點，這一部分位于整個建筑的最頂端，其作為配重來平衡太空電梯的自身重力，并使得太空電梯整體重心位于地球同步軌道，也即赤道上空35786公里處。
太空電梯是一個極其龐大的巨型系統(tǒng)，而其能穩(wěn)定存在的原因正是其精妙控制的系統(tǒng)重心。當重心位于同步軌道時，太空電梯自身產(chǎn)生的離心力將恰好相當于系統(tǒng)的總體重力，而向上的離心力和向下的重力像是“揪住”系纜的兩端，把它“抻直”。
二、太空電梯是用來做什么的？
簡單地講，太空電梯是一種極其廉價的太空運輸系統(tǒng)。
在目前，人類主要依賴的太空運輸方式是化學燃料火箭，每次發(fā)射都要消耗數(shù)百噸的液體燃料來把數(shù)十噸物資送入太空。這一方式是目前最簡單有效的方案，但也意味著極其昂貴的成本。雖然可回收火箭等新技術(shù)在不斷降低太空發(fā)射的成本，但在目前，向近地軌道運送物資的成本依然超過一千美元每公斤。
圖注：《流浪地球2》中正在著陸的可回收運載火箭
利用太空電梯運輸則廉價得多，由于太空電梯可以憑借系纜以慢得多的方式向太空前進，而不需要像火箭一樣有極高的推重比，同時，太空電梯的轎廂是可以完全回收的。
在電影《流浪地球2》中，太空電梯的轎廂使用了類似于火箭的推進方式，并在推進過程中達到了9g的加速度。而在現(xiàn)實中，太空電梯的轎廂可以用更加“溫和”的推進方式，例如單純的使用輪子在軌道系纜上“攀爬”。
圖注：《流浪地球2》中借助火箭升空的太空電梯轎廂
溫和的推進方式除了意味著更廉價的軌道運輸成本之外，也意味著更低的加速度，這意味著大部分普通人，乃至于一些無法承受高加速度的科學儀器都可以通過太空電梯進行運輸。
此外，還有一個有趣的問題是轎廂該如何儲存能量，和大部分人想象的電梯不同的是，太空電梯的路徑全長超過三萬公里，僅憑轎廂本身攜帶的能量很難滿足這趟漫長的旅程。目前已經(jīng)有許多關(guān)于太空電梯向轎廂傳輸能量的想象，除了像《流浪地球2》一樣把推進劑直接放進轎廂之外，還有許多不同的方案，例如使用激光傳輸能量給轎廂，或者在高空采用太陽能來獲取能量。
太空電梯的概念最早由齊奧爾科夫斯基在1895年提出，隨著納米技術(shù)的不斷進步，這一構(gòu)想正在不斷走向現(xiàn)實。2019年，國際宇航科學院（IAA）發(fā)布了名為《太空電梯時代之路》的研究報告，此報告指出太空電梯似乎的確可行。
太空電梯的最大技術(shù)限制來自于其所需要的系纜結(jié)構(gòu)，這些系纜需要承擔系統(tǒng)產(chǎn)生的極大張力，絕大部分的常規(guī)材料都無法在超過三萬公里的尺度上表現(xiàn)出滿足需求的性能。根據(jù)物理學家布拉德利·C·愛德華茲的設(shè)計，系纜材料的抗拉強度需要達到100GPa。
目前，太空電梯的系纜結(jié)構(gòu)材料備選方案包括碳納米管和碳納米線，這些材料雖然在理論上可行，但是其加工難度極高，生產(chǎn)出連續(xù)的、長達上萬公里的碳納米材料依然是無法做到的。國際宇航科學院寄希望于研究一種專門用于太空電梯系纜的新納米材料，并建議在之后幾年進行驗證。
同時，建造一個足夠平衡太空電梯重量的軌道配重也是極其困難的事情。除了在太空電梯的頂點建造一個巨型空間站外，直接捕獲一個小行星作為軌道配重也是可選的方案之一。不過，目前人類所掌握的技術(shù)還不足以捕獲如此尺寸小行星并將其送入預定軌道。
總的來說，太空電梯計劃介于完全的幻想與真實的科學之間，其所代表的是一種廉價的太空探索之夢，雖然目前看來似乎仍有距離，但隨著技術(shù)的發(fā)展，我們距離這個夢想可能會越來越近。
作者簡介：付文鶴，科幻工作者，中國科普作家協(xié)會會員，主要從事科幻、科普相關(guān)工作，長期研究國內(nèi)外航天科技發(fā)展，曾獲2018、2019科普中國軍事科技前沿年度優(yōu)秀作者稱號
出品：科普中國
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作者：付文鶴
策劃：金 赫
