上万公里的太空电梯,能不能圆了普通人的“上天梦”?
前沿 上万公里的太空电梯,能不能圆了普通人的“上天梦”? 前沿 | 2018-09-14 09:40 上万公里的太空电梯,能不能圆了普通人的“上天梦”? 脑极体

我们必须承认太空电梯是一个伟大的构想,我们也期待其能够克服各种困难、考虑各种问题,将其变为现实。

上天入地一直是人类的两大梦想。现在入地可能还得晚点(当然挖煤什么就算了),但上天早已不是什么难事,毕竟我们连月球都已经拜访过好几回了。


但实际上,虽然航空技术已经非常成熟,上天也不是一件随随便便的事情。每执行一次太空飞行任务,都要花费巨大的成本、冒着未知的风险,还要考验人的身体素质等。所以,虽然太空旅游这事儿已经被念叨了几十年,但太空飞行仍然还是航天员的事儿。

而且,自从美国最后一架航天飞机退役之后,世界上已经没有真正意义上可以循环使用的航天飞行器了。宇宙飞船也基本上都是一次性的。不能重复利用,让每一次太空发射任务都显得特别昂贵。


那么,很多人就在想:能不能建造一种一劳永逸的基础设施,可以无限次循环使用,既降低太空发射任务的成本,又让上天成为一件寻常之事呢?


于是,太空电梯的构想应运而生。


插入太空的绳索:

太空电梯是什么操作?


最早提出太空电梯构想的是俄罗斯科学家齐奥尔科夫斯基。据说他在一次观赏埃菲尔铁塔的时候,受到其高耸姿态的启发:如果把铁塔盖到35800公里的高度,那我们上天直接用爬的不就可以了?


于是,他提出可以在太空中建设一个城堡,然后利用缆绳和地面连接起来,从而可以从地球上运送人员、物资什么的。此后的一百多年里,科幻小说中屡次出现关于太空电梯的构想,比如阿瑟·克拉克的《天堂之泉》,而《三体》则对太空电梯的构想做出了更为细致的描述。


在实际操作上,太空电梯在1999年美国宇航局马歇尔中心发表《天体:太空的先进基础设施》之后成为了真正的科研对象。自此之后,关于太空电梯的建设方案层出不穷。但无论哪种方案,都离不开NASA提出的太空电梯的四大部分:地球基站、缆绳、升降机和平衡锤。


也就是说,在地面有一个可以保证电梯相对稳固的“锚”,使其不能随便移动;然后要有一根足够长、足够结实的缆绳运送升降机到平衡锤。这个平衡锤可以由空间站来充当。


有人说,地球不是有自转吗?就不怕几万公里长的电梯被甩出去?


这个原理很好解释。就像一个小孩儿一圈儿一圈儿地甩绳子,绳子的一头绑个砖块儿。在旋转的过程中,绳子会被拉紧,而砖块儿相当于是围绕着小孩儿的手做一个相对静止的运动。所以,被甩出去是不可能的。而且在这个过程中,升降机的爬升也不受影响。


从这个角度上来说,火箭、航天器什么的基本就可以被取代了。毕竟火箭的作用之一是帮助航天器达到一定的速度可以围绕地球转,而顺着电梯爬到顶端的时候自然而然就拥有了公转速度。


听起来是不是特别简单?可这也仅仅就是听起来。


基站、材料和动力:

太空电梯的三大难题


太空电梯建造的第一个问题是选址。


赤道是被公认的太空电梯最佳位置,因为这样电梯到达地球同步轨道的距离是最短的。但是提出的一个要求就是:这个位置的地质构造一定要特别稳定,不然三天两头地震一次,再把地基给震塌陷了,那就太不靠谱了。


因此,在很多构想中,把基站建在大洋中成为了首选方案。而如何在上千米的深水之中建筑一个巨大而稳固的电梯基站,自然也需要科学家们费一番心思了。


但相比基站建设,电梯的缆绳则困难得多。


要制造一条长达数万公里的缆绳,必须要有两个特点:第一足够结实,第二足够轻。


即便是最结实的钢材,在达到一定高度的时候,位于底部的材料也会禁受不住巨大的压力,折断是必然会发生的事情。因此,必须要找到一种材料,既坚硬,又轻便,这样底部承受的压力就没那么大。按照目前的研究,最有希望的是碳纳米管。但如果被拉成缆绳的话,目前碳纳米管材料的技术程度仍然还是无法承受这样的压力的。因为如果按照现在的技术,整个一条缆绳下来,重量也将达到7000吨。


并且,缆绳材料还需要面对来自宇宙辐射、大气腐蚀、太空垃圾等方面的威胁。如何保证其能够安然挺过这些威胁,将会是开发的重点之一。


未来解决了缆绳的材质问题之后,还需要面对动力的问题。根据构想,太空电梯就是节省了火箭发射的环节,使得运送成本进一步下降。但是电梯的升降也是需要动力的。毕竟离地面越高,所需要的上升动力越大。对此,有人提出了用激光发射助推的方法。


2009年美国的“波束能量挑战赛”中,一款名为“激光动力自动攀登者”的太空升降机出炉,并且抱走了90万美金。其利用地面的强激光作为推动力,而升降机则设计了一个太阳能电池来吸收地面发射的红外激光。通过这种激光助推,其成功使升降车上升到了900米的高空,速度则达到了3.9米每秒。虽然离太空电梯的真实需求还有很远,但试想一下:如果激光能量足够强,其能够达到太空电梯的需求也并非不可期。


如果基站、缆绳材质、动力这“三大件”能够得到解决,关于太空天梯的制造也就基本上扫清了大部分的障碍。


既能观光又能送货,

可太空电梯真的那么重要?


花大力气建电梯,肯定是有用的。那么,这些用处到底体现在何处呢?


1. 观光。对普通人而言,太空电梯的最大意义就是让自己也有了上天观景的机会。不要几十万,也不要几万,更不要几千,花个几百美元你就可以穿过云层、翱翔天际,一天欣赏15次日出日落,感受整个宇宙的辽阔……万户如果还在,一定激动到落泪。


2. 运送货物。现在要往空间站送个货还要搭火箭,而且每次的量还不多。如果能有太空天梯的话,空间站所需要的物资几乎可以实现随需随送,成本又很低。并且,还有人设想在月球上建一个电梯,然后把上面的矿物质运送到地球上……当然,把月球和地球直接连起来肯定是不行的,不然由于地球的自转电梯咔嚓就被扭断了。但是如果在连接月球的电梯和连接地球的电梯给做一个中转,还是很有可能实现的。这样我们长期觊觎的月球矿产就可以得到真正的有效利用了。


也就是说,从太空旅游和运送物资进行科学研究这两个方面来说,太空电梯还是能起到相当重要的作用的。


但在这里,我们需要正视一个问题:太空电梯运输成本真的很便宜?


科学家们谈到太空电梯的时候,能大幅度降低太空运送成本是其常常挂在嘴边的一句话。但从20世纪末进入真正的科研到如今20年过去了,太空电梯可以说基本上没啥进展,难道仅仅是技术不过关吗?


或许梦幻般的太空电梯要想有真正有实际的应用价值,还必须要面对以下两个问题。


第一,赢得与传统运火箭运输方式的成本赛跑。按照日本最新的太空电梯打造计划的预期,其将在2050年完成建设任务并实现载人送货。而届时,每千克的货物运输成本为500美元左右。


但必须面对的一个现实情况是:按照目前space X火箭每次发射2亿美元,可搭载22吨货物计算,其每千克差不多是1万美元。但不要忘了,space X已经掌握了火箭的回收技术,在重复利用下,每千克发射成本降会低至以千美元计。给太空电梯30年的时间建造,运输成本为每千克500美元;但给space X 30年,谁敢确定其运输成本不会下降得更多?


因此,在传统火箭运输成本也在下降的情况下,如何赢得这场赛跑,将成为太空电梯建设的一个硬性要求。不然建了还不如火箭,那意义又何在?


第二,成本不能只计算运输,还有考虑到建造。仅仅着眼于运输是如何便宜是没有意义的,还要考虑到太空电梯的建造成本。必须要清楚的是,太空电梯绝对是地球最高科技的代表之一,其材料技术、动力技术、基站打造、空间站建造、日常维护等都是一笔不菲的支出,据测算,仅仅是建造的成本就达300亿美元,而实际投入使用则远远不止这个数。太空电梯本身的空间限制使得其单次载货量与重型火箭运送有巨大的差距。按照一千克500美元,大约要运送6万吨的货物才能收回建造成本,而在这个过程中单次运输的成本还没有计算在内。这样的话,巨额投入的成本回收问题,将是不可回避的。


也就是说,不谈建设成本只谈运输的,都是耍流氓。


当然,我们必须承认太空电梯是一个伟大的构想,我们也期待其能够克服各种困难、考虑各种问题,将其变为现实。也许在一切条件都成熟的情况下,《三体》中所描绘的围绕地球的网状般的壮丽景象,将会成为宇宙当中又一人造的美丽场景。

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