彭永清

“太空電梯”

從月球到火星甚至更遠(yuǎn)，人類到底能夠到達(dá)宇宙的何處？目前，無(wú)論人類將要奔向太空的哪個(gè)地方，都少不了運(yùn)載火箭的幫助。當(dāng)然，這需要花費(fèi)龐大資金。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，在未來(lái)的太空運(yùn)輸交通系統(tǒng)中，運(yùn)載火箭或?qū)⒈灰环N更節(jié)能且更安全的技術(shù)所替代，它就是目前日本正在開(kāi)發(fā)的“太空電梯”。

“太空電梯”最先由俄羅斯科學(xué)家于19世紀(jì)末根據(jù)艾菲爾鐵塔的設(shè)想提出。但因制造太空電梯需要超強(qiáng)材料，長(zhǎng)期以來(lái)，它只是作為一個(gè)科幻般的概念存在。1991年碳納米管的問(wèn)世，使這一概念變成可能。2007年，日本率先設(shè)立由專家組成的“太空電梯協(xié)會(huì)”，對(duì)此展開(kāi)研究。2009年，日本舉辦了由各相關(guān)企業(yè)參加的升降機(jī)提升設(shè)計(jì)大賽，大林組株式會(huì)社提出了一個(gè)大膽的設(shè)計(jì)——一個(gè)可乘坐30人的“太空電梯”。太空電梯可在赤道附近以時(shí)速200公里的速度上升，直接到達(dá)3.6萬(wàn)公里高的空間站內(nèi)。這些設(shè)施以太陽(yáng)能發(fā)電來(lái)獲取能源。

按照設(shè)計(jì)，太空電梯由兩條電纜控制，長(zhǎng)度約9.6萬(wàn)公里，相當(dāng)于地球到月球距離的四分之一。為使電梯能夠擺脫地球引力爬升至3.6萬(wàn)公里處的中轉(zhuǎn)站，必須由兩條行程相反的電纜來(lái)控制，這樣太空電梯才能進(jìn)行人員和物資運(yùn)輸。不過(guò)，太空電梯最關(guān)鍵的作用是替代火箭向太空輸送探測(cè)器和飛船。與火箭發(fā)射飛船需要擺脫地球引力的速度不同，由于太空電梯的中轉(zhuǎn)站和電纜與同步衛(wèi)星一樣繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)，因此只要將飛船運(yùn)送至中轉(zhuǎn)站后放出，飛船就可以像被投出去的鏈球一樣獲得擺脫地球引力的速度。有估算稱，太空電梯運(yùn)送和釋放飛船的成本要比火箭減少兩位數(shù)，這對(duì)于未來(lái)有效解決火箭發(fā)射高成本這一太空開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的瓶頸顯然是非常有利的。目前，用來(lái)向太空輸送物資和宇航員的運(yùn)載火箭存在許多問(wèn)題，其中最主要的是對(duì)地球環(huán)境造成影響：以固體燃料為動(dòng)力源的火箭發(fā)射時(shí)排放出的氯氣會(huì)與臭氧層發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并有可能令臭氧層變得稀薄。另外，火箭的有效載荷也只有其自重的百分之幾，作為一種運(yùn)輸手段來(lái)說(shuō)效率非常低。而且火箭發(fā)射易受天氣影響，在向太空輸送物資時(shí)，往往要選擇好天氣。太空電梯就不同了：升降機(jī)不僅在下降時(shí)可以回收利用上升過(guò)程中所用能量，而且還可以借助外部能源加速，因此它在向太空運(yùn)送物資等的效率遠(yuǎn)比火箭高；同時(shí)它不太受天氣影響，可以在大多數(shù)天氣狀況下運(yùn)送物資。日本航空宇宙學(xué)會(huì)軌道電梯研討委員會(huì)委員青木義田教授稱，隨著今后太空垃圾不斷增多，火箭發(fā)射將變得越來(lái)越困難；而使用太空電梯不僅可以在地球同步軌道或更高處釋放衛(wèi)星，還有望用于建造宇宙太陽(yáng)能發(fā)電站所需物資和人員的運(yùn)送等。

大致估算，太空電梯中轉(zhuǎn)站和電纜的造價(jià)約為10萬(wàn)億日元，相當(dāng)于建造一條磁懸浮干線的費(fèi)用。因此，一旦太空電梯的優(yōu)點(diǎn)被廣泛認(rèn)知，完全可以進(jìn)行實(shí)際操作。不過(guò)，據(jù)估計(jì)電纜從設(shè)計(jì)到施工需要約20年時(shí)間，其中將電纜運(yùn)送到地球同步軌道并安裝兩條行程相反的電纜需要約1年，剩下19年是逐漸將電纜加粗。制造電纜的材料將使用比鐵輕的強(qiáng)力碳納米管。最初用火箭將長(zhǎng)約9.6萬(wàn)公里、最大橫截面為48毫米、厚度為0.004毫米、重達(dá)20噸的電纜送入地球靜止軌道，之后升降機(jī)在沿電纜爬升的同時(shí)不斷反復(fù)地將成卷成卷的碳納米管纏繞在電纜上，直到將電纜增至1.38毫米厚為止。這樣的電纜可以承受重達(dá)100噸的升降機(jī)升降。

日本專家稱，假設(shè)從2030年開(kāi)始制造電纜，那么太空電梯或?qū)⒃?050年開(kāi)始啟用。但是，太空電梯不應(yīng)由一國(guó)單獨(dú)完成并使用，因?yàn)檫@將使該國(guó)壟斷太空相關(guān)產(chǎn)業(yè)。所以說(shuō)，太空電梯構(gòu)想應(yīng)該是一項(xiàng)由世界各國(guó)相互協(xié)調(diào)、共同推進(jìn)的計(jì)劃。

不過(guò)，目前太空電梯的制造技術(shù)尚不成熟，其中最重要的就是電纜。要制造超級(jí)長(zhǎng)度的電纜，需要使用CNT 結(jié)晶，但現(xiàn)有的技術(shù)只能將CNT制成最薄的3厘米，而需要掌握防止電纜受到隕石、太空垃圾及射線傷害的技術(shù)。升降機(jī)如果要沿著電纜爬升，就目前技術(shù)看只有采用多個(gè)滑輪自行移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，但人類尚未掌握為爬升數(shù)萬(wàn)公里的升降機(jī)提供無(wú)線電力的技術(shù)，因此需要加緊研發(fā)。

對(duì)于人類而言，地球正變得越來(lái)越狹小。有預(yù)測(cè)稱，到2050年全球人口將突破90億，人類屆時(shí)在太空尋找居住場(chǎng)所或旅行將不再是科學(xué)幻想。為實(shí)現(xiàn)太空電梯這一宏偉目標(biāo)，日本“太空電梯協(xié)會(huì)”正在積極展開(kāi)活動(dòng)，其中最為獨(dú)特的是太空電梯技術(shù)競(jìng)賽。在2012年的第4屆挑戰(zhàn)賽中，日本大學(xué)入江研究室研制的升降機(jī)在16個(gè)比賽隊(duì)中脫穎而出，創(chuàng)下了爬升780米的紀(jì)錄，同時(shí)還創(chuàng)下了54公里的平均上升速度和105公里的瞬間最快上升速度紀(jì)錄。雖然這一挑戰(zhàn)賽所使用的升降機(jī)并不能成為真正的太空電梯，但通過(guò)競(jìng)賽掌握的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)將為今后太空電梯的制造提供幫助，實(shí)現(xiàn)人類真正的太空游。

機(jī)器人酒店

在日本長(zhǎng)崎縣佐世保市休閑度假主題公園豪斯登堡，開(kāi)有日本首家機(jī)器人酒店——奇異酒店。這家于2015年7月正式營(yíng)業(yè)的酒店不單單是一家“機(jī)器人娛樂(lè)酒店”，其經(jīng)營(yíng)成本也因機(jī)器人而大幅減少。

客人一進(jìn)入酒店，就會(huì)有三個(gè)機(jī)器人上前迎接——兩個(gè)恐龍機(jī)器人和一個(gè)年輕女性模樣的機(jī)器人負(fù)責(zé)為客人辦理入住登記。不僅如此，這三個(gè)機(jī)器人還能流利地說(shuō)日語(yǔ)、英語(yǔ)、漢語(yǔ)和韓語(yǔ)。入住客人在酒店前臺(tái)的液晶屏幕上選擇自己使用的語(yǔ)言后，機(jī)器人馬上就會(huì)用這種語(yǔ)言與客人交流。通常，入住酒店的都是事先預(yù)約好的客人，機(jī)器人在為客人辦理入住手續(xù)時(shí)只需將客人證件或護(hù)照與預(yù)約名單上的內(nèi)容進(jìn)行對(duì)照，確認(rèn)無(wú)誤后即可給客人辦理。在酒店前臺(tái)，還有專門(mén)負(fù)責(zé)搬運(yùn)客人行李的機(jī)器人?？腿宿k完入住手續(xù)后，只要在負(fù)責(zé)搬運(yùn)行李的機(jī)器人身上的顯示器上輸入房號(hào)，機(jī)器人就會(huì)從地板下面預(yù)埋的芯片中讀取信息，并自動(dòng)將行李送至指定房間。不過(guò)，搬運(yùn)機(jī)器人最多只能搬運(yùn)30公斤的行李，超過(guò)這一重量的行李則由酒店工作人員負(fù)責(zé)搬運(yùn)。

酒店里的機(jī)器人會(huì)根據(jù)客人的步行速度來(lái)調(diào)節(jié)它自己的行走速度。如果前面有客人經(jīng)過(guò)，或者行走時(shí)碰到客人后腳跟，機(jī)器人會(huì)自動(dòng)停下。不過(guò)，因機(jī)器人怕淋雨，搬運(yùn)行李時(shí)通常不會(huì)離開(kāi)前臺(tái)到另外一棟建筑的客房去。在客房?jī)?nèi)，有專門(mén)的機(jī)器人陪客人聊天，同時(shí)負(fù)責(zé)打掃窗戶?；▓@里還有割草機(jī)器人，每天都將草坪打理得整整齊齊。

奇異酒店共有144間客房，包括臨時(shí)加床最多可入住488名客人。如此規(guī)模的普通酒店至少需要30至35名服務(wù)員。但奇異酒店總共只有7名服務(wù)員，因?yàn)橛休喰?，所以每天?shí)際只有5名服務(wù)員在上班。不過(guò)，酒店并不負(fù)責(zé)客房清掃、疊被褥和提供早餐，需由旅客事先打招呼，再由酒店負(fù)責(zé)向業(yè)者預(yù)定相關(guān)服務(wù)，費(fèi)用則加在房租內(nèi)?？腿嗽陬A(yù)定房間時(shí)需付清房租，每人每天的房租約為1萬(wàn)日元。另外，酒店不向客人提供酒水飲料，客人如需要可在自動(dòng)售貨機(jī)上購(gòu)買(mǎi)。由于沒(méi)有額外費(fèi)用，客人退房時(shí)也沒(méi)有前臺(tái)服務(wù)員接待，只有機(jī)器人負(fù)責(zé)辦理手續(xù)。

除了提供住宿外，奇異酒店還推出了機(jī)器人展示活動(dòng)。酒店剛開(kāi)業(yè)時(shí)，展示了6個(gè)種類的82個(gè)機(jī)器人，目前已增至25個(gè)種類214個(gè)機(jī)器人。一些在酒店前臺(tái)展示的機(jī)器人還可對(duì)外銷售。購(gòu)買(mǎi)機(jī)器人的大都是入住酒店的客人，他們購(gòu)買(mǎi)的多是專門(mén)清掃窗戶的機(jī)器人。據(jù)稱，市面上一個(gè)窗戶清掃機(jī)器人的價(jià)格為5.48萬(wàn)日元，而在奇異酒店購(gòu)買(mǎi)可以打折。

其實(shí)，當(dāng)初奇異酒店開(kāi)張時(shí)也遇到不小的困難，如機(jī)器人對(duì)客人的語(yǔ)音識(shí)別和語(yǔ)音輸入系統(tǒng)不夠完善，遭到許多客人抱怨?，F(xiàn)在，機(jī)器人服務(wù)員不僅能夠完全識(shí)別客人語(yǔ)音，而且服務(wù)也很體貼周到，就連小孩子的聲音也能夠識(shí)別，還能與孩子們對(duì)話。奇異酒店正準(zhǔn)備開(kāi)一家“機(jī)器人酒吧”，讓客人品嘗到由機(jī)器人調(diào)配出來(lái)的雞尾酒；同時(shí)增設(shè)“機(jī)器人歌手”，與客人一起K歌。

人造流星雨

據(jù)日本《AERA》雜志報(bào)道，日本正著手推進(jìn)太空風(fēng)險(xiǎn)投資，其中就包括實(shí)現(xiàn)“人造流星雨”技術(shù)這一項(xiàng)目。2018年3月在東京召開(kāi)的“宇宙研討會(huì)”上，日本太空創(chuàng)業(yè)公司ALE公司總裁岡島禮奈談及初衷時(shí)稱，希望能在適時(shí)適地邊喝啤酒邊看流星劃過(guò)夜空，并計(jì)劃在2020年?yáng)|京奧運(yùn)會(huì)開(kāi)幕時(shí)用人造流星雨來(lái)為這一國(guó)際賽事添光增彩。

2013年，岡島與公司研究人員一起成功制作出可用肉眼觀察“流星”，并且確立了藍(lán)、綠、橙的發(fā)光技術(shù)。岡島說(shuō)，積累起來(lái)的人造流星雨技術(shù)不僅可以用于娛樂(lè)和商業(yè)，而且可用來(lái)揭開(kāi)自然界隕石和流星的機(jī)理。

通常，地球上空50至80公里處的小石塊在進(jìn)入大氣層時(shí)燃燒會(huì)出現(xiàn)流星現(xiàn)象。而ALE公司計(jì)劃兩年內(nèi)發(fā)射搭載人造流星群的小型人造衛(wèi)星至地面上空500公里軌道，并通過(guò)這個(gè)如小型透明箱子的人造衛(wèi)星將其內(nèi)裝滿的約1000顆直徑為1—2厘米彈珠大小的金屬球釋放到大氣中。當(dāng)金屬球粒子以時(shí)速約2.8萬(wàn)公里的速度飛速下落并繞地球軌道飛行約三分之一周時(shí)，會(huì)一邊燃燒一邊像彗星一樣發(fā)出耀眼的光。

據(jù)ALE宣傳負(fù)責(zé)人稱，該公司所使用的金屬粒子將比自然流星群中的塵埃粒子更大，因此燃燒時(shí)間也更長(zhǎng)，且光柱和明亮度也要超過(guò)自然流星。另外，由于劃過(guò)夜空的速度比自然流星慢，這樣也進(jìn)一步延長(zhǎng)了燃燒時(shí)間。該公司還考慮通過(guò)不同種類的金屬粒子來(lái)制作出如焰火般的色彩，讓流星群在空中劃出一道道彩虹，把夜空裝點(diǎn)得更加璀璨。

該名為“Sky Canvas”的計(jì)劃無(wú)疑具有娛樂(lè)和商業(yè)方面的價(jià)值，不僅如此，岡島稱“人造流星”技術(shù)或能在科學(xué)領(lǐng)域作出貢獻(xiàn)。在空中釋放已知成分和速度的粒子，并讓它們進(jìn)入地球大氣層的計(jì)劃，是為了獲取詳細(xì)數(shù)據(jù)，以供在出現(xiàn)失去功能的衛(wèi)星和太空中的火箭碎片等太空垃圾突入大氣層的情況時(shí)使用。不過(guò)，美國(guó)亞利桑那州大學(xué)宇宙物體行為科學(xué)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、熟知太空垃圾問(wèn)題的莫里弗·賈對(duì)此表示懷疑，尤其擔(dān)心流星粒子意外地與衛(wèi)星相撞，反而會(huì)使太空垃圾增加。ALE也在就此問(wèn)題研究必要的預(yù)防手段，即開(kāi)發(fā)專用的報(bào)警系統(tǒng)。另?yè)?jù)該公司提示的模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果稱，即便人造流星未采取安全措施，與人造衛(wèi)星相撞的概率也只有1億分之一。因此，如果ALE公司能夠確保人造流星群的安全性，就有可能將此計(jì)劃變成現(xiàn)實(shí)。

即便如此，“人造流星雨”的費(fèi)用也遠(yuǎn)不是家庭成員過(guò)生日那樣簡(jiǎn)單。據(jù)法新社報(bào)道稱，ALE制造一顆人造流星粒子的費(fèi)用約需100日元，且還不包括發(fā)射人造衛(wèi)星的費(fèi)用在內(nèi)。因此，人造流星群的制作費(fèi)可謂不菲。不過(guò)，由于ALE公司的計(jì)劃是通過(guò)大衛(wèi)星“順帶”裝有金屬?gòu)椫榈男⌒l(wèi)星的方式，即將四方形小衛(wèi)星置于大衛(wèi)星剩余空間的方式，因此發(fā)射成本可以大大降低。對(duì)于“小衛(wèi)星在流星粒子燃燒后可能會(huì)在太空中成為垃圾”的疑問(wèn)，ALE公司表示，人造衛(wèi)星在完成計(jì)劃數(shù)個(gè)月（自發(fā)射起約2年）后會(huì)在大氣層燃盡，不會(huì)成為太空垃圾。

2019年1月18日，ALE公司成功將7顆人造衛(wèi)星送入預(yù)定軌道，其中最令人矚目的是一顆可制造流星雨的衛(wèi)星。預(yù)計(jì)2020年將首次上演人造流星雨，屆時(shí)人們就可以欣賞到美麗絢爛的景象了。

人造流星雨計(jì)劃，其商業(yè)目的是為那些想要隨時(shí)隨地看見(jiàn)流星雨的人提供定位服務(wù)。例如，在主題公園的集會(huì)中，當(dāng)主持人手臂一揮，天空中馬上出現(xiàn)熠熠奪目的流星雨；當(dāng)然還可以在舉辦太空婚禮或葬禮時(shí)派上用場(chǎng)。

目前，ALE公司已經(jīng)制造完成了釋放流星粒子的機(jī)械原型1號(hào)機(jī)，該機(jī)械釋放的流星粒子在太空中發(fā)出的光亮只在城市上空可以肉眼看見(jiàn)，但該公司表示，一年后光的亮度可以大大提高，使更遠(yuǎn)地方的觀者都可以看到。此外，公司還在研究制作流星文字和圖形，以及可以讓人在欣賞過(guò)程中許下三個(gè)愿望的長(zhǎng)時(shí)間流星雨。