馬迪

今年的春節(jié)假期我看了三場(chǎng)《流浪地球2》。

對(duì)任何一個(gè)科學(xué)/科技/科幻愛好者來說，《流浪地球2》都是不容錯(cuò)過的一場(chǎng)精神盛宴，影片中最具視覺沖擊力的場(chǎng)景之一就是直沖天際的太空電梯—旋轉(zhuǎn)飛升的長鏡頭、細(xì)致入微的CG畫面、氣勢(shì)恢宏的配樂，共同凸顯了它既真實(shí)又虛幻的工業(yè)美感。

事實(shí)上，太空電梯從來都不是單純的幻想，而是理論上完全可行、實(shí)施路徑也極為清晰的一種設(shè)備。

太空電梯的概念最早的提出者是“俄羅斯火箭之父”康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基。他受到埃菲爾鐵塔的啟發(fā)，在1895年就提出了類似的構(gòu)想—建造一座35786公里的高塔，直達(dá)地球靜止軌道高度，所有沿梯而上的人和物都可以輕而易舉地進(jìn)入太空。但這么高的建筑物實(shí)在是超出了人類工程技術(shù)的極限，于是有人想：既然無法自下而上，能不能反其道而行之呢？

1960年，蘇聯(lián)工程師尤里·阿爾蘇塔諾夫首次提出可以從靜止軌道衛(wèi)星向下伸出繩索的方式建設(shè)太空電梯。1975年，美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室的杰羅姆·皮爾遜再次獨(dú)立發(fā)明了懸掛纜繩的太空電梯概念，寫成論文發(fā)表在了當(dāng)年的《宇航學(xué)報(bào)》上。這給科幻作家亞瑟·克拉克帶來了靈感，他寫出了名作《天堂噴泉》，太空電梯的概念也隨之引起了全世界的廣泛關(guān)注。

要建造一部太空電梯，你只需要三個(gè)主要結(jié)構(gòu)：基座、纜繩和空間站。其中，位于地表的基座必須建在赤道地區(qū)，比如電影中選址在加蓬共和國；位于最頂端的軌道站點(diǎn)以及配重裝置，會(huì)讓太空電梯的整體重心位于地球靜止軌道上。這時(shí)，電梯自身產(chǎn)生的離心力和受地球吸引的重力將處于平衡狀態(tài)，系纜被“繃直”，站點(diǎn)與地球保持相對(duì)靜止—從地球上看，整個(gè)太空電梯穩(wěn)穩(wěn)矗立、直通天際，仿佛是地球拋出去的一顆鏈球。

科學(xué)原理上一點(diǎn)都不復(fù)雜，但工程難度卻大到離譜，最難解決的就是“鏈球”的那根鏈子了。

要知道，無論何種材料，一旦高達(dá)3.6萬千米都會(huì)產(chǎn)生極大的自重，比如常見的鋼鐵、鋁合金或鈦合金，不到30公里高就會(huì)因?yàn)樽灾囟鴶嗔?，更不用說這種纜繩還要承受地心引力和離心力的雙重拉扯、經(jīng)受大氣層內(nèi)外向它襲來的任何物體的撞擊……我們需要一種極高強(qiáng)度與極低密度特征共存的特種材料。

1991年，日本科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了質(zhì)量輕、強(qiáng)度高的碳納米管，讓太空電梯看到了希望。碳納米管是石墨中一層或若干層碳原子排列成管狀的分子，直徑只有幾到幾十納米。這種材料是迄今為止發(fā)現(xiàn)的最堅(jiān)硬、最堅(jiān)固的物質(zhì)，理論上說，用碳納米管纖維材料造出直徑1毫米的碳納米繩就可以承載60噸的重量。它還具有導(dǎo)電性，無需鋪設(shè)額外的電線即可為電梯供電。

遺憾的是，碳納米管的制取非常困難，多數(shù)實(shí)驗(yàn)室制備長度只有幾毫米，而且越長越容易出現(xiàn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷，長度和強(qiáng)度很難兼得。

2013年，清華大學(xué)的魏飛教授團(tuán)隊(duì)成功制造出了世界上最長的碳納米管，足有0.5米，這已經(jīng)是世界紀(jì)錄的水平，10年來無人能超越。而太空電梯的纜繩長度至少需要3.6萬千米，差距依然是極其巨大的。

除了上面說到的技術(shù)難點(diǎn)之外，太空電梯還面臨著許多威脅，例如大氣環(huán)境內(nèi)的雷擊、颶風(fēng)，近地的太空垃圾碎片，來自外太空的隕石、太陽風(fēng)等等。這些都可能導(dǎo)致纜繩斷裂或電梯失事，一旦發(fā)生事故，像電影中的空間站墜落，結(jié)果將是災(zāi)難性的。

總而言之，太空電梯對(duì)材料學(xué)和工程學(xué)提出了極大的挑戰(zhàn)，但它的潛力和優(yōu)勢(shì)也是極其誘人的。與火箭相比，太空電梯是一種極其廉價(jià)的太空運(yùn)輸系統(tǒng)，它的推進(jìn)方式更“溫和”、加速度更低，這意味著大部分普通人，甚至一些無法承受高加速度的科學(xué)儀器都可以通過太空電梯進(jìn)行運(yùn)輸。同時(shí)，太空電梯有更大的載重能力，這將使大規(guī)模建設(shè)太空定居點(diǎn)和空間站成為可能—這是人類離開地球搖籃進(jìn)入深遠(yuǎn)宇宙的必要條件。

借用電影里的一句話：相信我們的人，一定能完成任務(wù)。我也愿意相信，太空電梯在未來一定能幫助人類，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模進(jìn)入太空的宏愿。