科普速递第47期 | 《流浪地球2》之手搓太空电梯篇
科普速递第47期 | 《流浪地球2》之手搓太空电梯篇
太空电梯，这个曾经只存在于科幻小说中的概念，如今正逐渐从想象走向现实。在《流浪地球2》中，这一未来科技被展现得淋漓尽致。本文将带你深入了解太空电梯的工作原理、建设挑战以及其在未来的应用前景。
1981年4月12日，哥伦比亚号航天飞机从肯尼迪航天中心发射升空，开始了第一次航天飞机任务，由此可重复使用的航天器的梦想实现了。从那时起，NASA 已经发射了100多次太空任务，但是太空任务的价格几乎没有变化。无论是航天飞机还是不可重复使用的俄罗斯航天器，发射成本大约是每磅10,000美元(每公斤22,000美元)。
航天飞机鸟瞰地球图
《流浪地球2》中的太空电梯
去年在春节档热映的电影《流浪地球2》曾展示出一种能实现人类便携式升空的概念科技产品——“太空电梯”，即一根由碳纳米管复合带固定在海上平台上制成的太空电梯将延伸到大约62,000英里(100,000公里)的太空中。系在丝带上的机械升降机随后将沿着丝带攀升，将货物和人类送入太空，造价仅为每磅100至400美元(每公斤220至880美元)。
《流浪地球2》电影海报局部
如何理解太空电梯的概念
为了更好地理解太空电梯的概念，想一想绳球游戏，其中绳子一端系在杆子上，另一端系在球上。在这个比喻中，绳子是碳纳米管的复合带。杆子是地球，球是平衡物。现在，想象一下，球围绕杆子永远旋转，速度如此之快，以至于绳子保持紧绷。这就是太空电梯的总体概念。平衡重物（配重）围绕地球旋转，使得连接绳一直保持绷直的状态。
绳球游戏
如何搭建太空电梯
电梯的中心部件是碳纳米管复合带，它只有几厘米厚，与我们的手臂厚度相当，堪称以凡人之臂比肩神明。这一概念的提出太过先进，甚至早于碳纳米管首次被发现的1991年一百年之久。那是什么使科学家相信，太空电梯可以建成的呢？大约是苏联青年技术杂志采访克拉克，当时他住在斯里兰卡，我记得一个细节，最后克拉克拿出一束细细的黄色纤维，跟记者说，“看来我在书中还是太保守，有可能在21世纪就能建造通天塔了”。现在，我们在制造碳纳米管和制造机器方面的进展越来越接近，这些机器可以旋转出制造丝带所需的大量材料，这些材料可以延伸到太空中。
碳纳米管材料（石墨烯纤维）
碳纳米管具有比钢强100倍的潜力，并且像塑料一样灵活。碳纳米管的强度来自其独特的结构，类似于足球。一旦科学家们能够用碳纳米管制造出纤维，就有可能制造出能够形成太空电梯丝带的线。以前可用的材料要么太脆弱或不灵活，形成带子，并会很容易打破。但碳纳米管的弹性模量非常高，抗拉强度也非常高，这些都表明这种材料在理论上应该能够制造出相对容易制造的太空电梯。
一旦长带状的纳米管被制造出来，它将被卷成一个线轴，并被发射到轨道上。当携带线轴的航天器到达一定高度，可能是近地轨道时，它将开始解开线轴，将带状物降回地球。与此同时，线轴会继续向更高的高度移动。当带状物降入地球大气层时，它将被捕捉，然后被降下并固定到海上的一个移动平台上。
其中，丝带（碳纳米管复合带）可以作为通往太空的铁路的轨道。然后，机械升降机将被用于爬升带到太空。虽然丝带仍然是一个概念性的组成部分，但是所有太空电梯的其他部分的建造可以使用已知的技术，包括机器人升降机，锚站和电力传送系统。
机器人升降机将利用这条丝带引导它进入太空。升降机上的牵引踏面滚轮将夹紧带子并将带子拉过，使升降机能够爬上升降机。太空电梯将起源于赤道太平洋的一个移动平台，这个平台将把带子固定在地球上。
太空电梯概念图
在丝带的顶端，会有一个沉重的平衡物。早期的太空电梯计划包括捕获一颗小行星并将其用作平衡物。当然，配重可以是由用于建造带状物的设备组装的，包括用于发射带状物的航天器。
而主要的运载设备，升降机将由位于锚定站或其附近的自由电子激光器系统提供动力。一旦投入使用，升降机几乎每天都可以登上太空电梯。升降机的大小从最初的5吨到20吨不等。这个20吨重的升降机将能够承载多达13吨的有效载荷，并有900立方米的空间。升降机将运载从卫星到太阳能电池板的各种货物，最终人类将以每小时118英里(190公里/小时)的速度沿着丝带上升。
太空电梯建设的诸多难题
太空电梯的工程是如此宏伟，人类恐惧这一工程的损坏将极大程度地影响到社会经济，修复和回收的代价将会使几个世纪人类积攒的财富消耗殆尽。那么如果太空电梯真的损坏了，我们应当如何解决这一难题呢？事实上，为了确保始终有一个可操作的太空电梯，我们可以建造多个太空电梯。每一个都比前一个便宜。第一个太空电梯将作为一个平台，从中建立额外的太空电梯。这样做，可以确保即使一个太空电梯遇到问题，其他电梯可以继续将有效载荷提升到太空。
除了耗材和电梯的维修成本之外，还应当注意的是运输过程中的安全问题。电梯与大气摩擦，刷形放电的同时并伴随着辉光的产生，惊骇的同时也有它传奇般的名字，圣爱尔摩火。以及在太空中一望无际的黑，连极光也无法照亮短路后的电梯舱室。
作为未来的概念科技产物，太空电梯可以取代航天飞机作为主要的航天器，用于卫星部署、国防、旅游和进一步的探索。对于后一种情况，宇宙飞船将爬上升降机的丝带，然后在太空中向其主要目标发射。这种类型的发射比通常情况下用火箭突破大气层束缚的载人工程需要更少的燃料。一些设计师还认为，太空电梯可以在其他行星上建造，包括火星。当然，太空军备竞赛就像划龙舟争霸，中国若想把太空电梯建造日命名为太空端午节，辄需读者贡献自己的一份力量。
参考文献
[1]Express Lift to the Stars: CNN International -- September18,2006.
http://edition.cnn.com/2006/TECH/space/09/18/space.elevator/
[2] The Space Elevator: NIAC Phase II Final Report.
http://www.liftport.com/files/521Edwards.pdf.
[3] LiftPort Group
http://www.liftport.com/
[4] InstituteforScientificResearch.
http://www.isr.us/SEHome.asp
[5] Elevator 2010 Competitionhttp://www.elevator2010.org/site/competition.html
[6] Highlift Systemshttp://www.americanantigravity.com/highlift.html
[7] A Hoist to the Heavens, IEEESpectrum http://www.spectrum.ieee.org/WEBONLY/publicfeature/aug05/0805spac.html