14天可到月球，61天可到火星！“太空电梯”梦想还有多遥远？

小说《三体》中的“太空电梯”令人神往，只要进入电梯，按下按钮，嗖地一下就到了太空。这种太空电梯的梦想由来已久。1895年，俄罗斯科学家齐奥尔科夫斯基见到埃菲尔铁塔后提出了太空电梯的设想。1979年科幻大师克拉克在小说《天堂的喷泉》中也描绘了太空电梯。

国际太空电梯联盟主席彼得·斯旺也曾说，未来太空电梯作为永久性物流基础设施，可将物资和人员运到太空，成为进入太空的新通道。他还进一步研究指出，月球和火星由于重力水平比地球小，空气更加稀薄或者真空，建造难度比地球上更小，未来14天可到月球，61天可到火星。

接下来我们就要问，太空电梯技术进展到什么阶段，什么时候可以实现了呢？如果说一个想法，其技术成熟度由科幻到现实分为从0到9共10个阶段，我们现在处于第二阶段。超越了科幻阶段（第0阶段），提出了科学上可行的原理，计算了可行的主要技术指标。后面还需要开展关键技术和系统的实验验证，最后是实际建造。由此可见，还有很长的路要走。

配图来自图虫网

那么，关于这个太空电梯可行的科学原理，具体是什么样的呢，又包括哪些结构组成？

太空电梯的本质是建设一个永久性的“缆绳”式建筑，将地面与太空上的某一点连接起来。如果这个缆绳建筑低于36000公里，那么它内部将受到压力作用。假设用钢材来建造，只能建造大约9公里高，也就是大约飞机飞行的高度，更高的话，在巨大的压力下，底部的钢材就会被压垮了。但是各种材料赖拉伸的能力，远远超过赖压的能力。所以就提出约5万公里长的太空电梯方案，该方案类似于运动员抛链球，地球就相当于链球运动员，在地球赤道位置固定一根5万公里的缆绳，末端是个链球，由于地球的自转运动，链球和缆绳的旋转离心力，与它们受到的地球引力相平衡。

所以整个太空电梯系统由四大部分组成，一是锚定赤道表面的基站，二是长度约5万公里的缆绳，三是位于5万公里高处的平衡配重，这个配重可以是个空间站，第四个就是沿着缆绳上下、快速运行的电梯梯箱。

有人估计，建造太空电梯的成本约100亿美元，但是建成以后，运送1公斤物体进入太空的成本只需要100美元，运送成本比运载火箭低100倍，只要运送1000吨物体进入轨道，太空电梯的建造成本就赚回来了。应用前景这么美好，为什么不赶快建设呢？

这是因为还存在很多技术难点。最大的难点是，需要足够强度的材料，碳纳米管和超强石墨烯被认为是建造太空电梯缆绳的理想材料，它们的强度已经足够，但是只能在实验室生产出不到1米长的碳纳米管，离5万公里长还有太大的距离，真的是万里长征走了还不到一步。此外，还有很多细节问题有待解答：太空电梯车厢选择何种驱动模式？5万公里长的缆绳如何有效抗摆动？太空电梯遇到空间碎片和流星体撞击怎么办？

总之，要坐太空电梯进入太空，目前还在理论原理阶段，离真正的工程实施，还有很多技术难题需要攻克！

本文为科普中国·星空计划扶持作品

作者：周炳红

审核：刘勇

出品：中国科协科普部

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