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搭乘电梯去太空
太空电梯,100多年前就被提出
在《圣经·创世纪》中有这样一则故事——地面与天空用“天梯”连接,人可以通过“天梯”往返于天地之间.雅各布在梦中沿着登天的梯子取得了“圣火”.后人便把这梦想中的梯子,称为“雅各布天梯”.
太空电梯的概念最早在1895年提出.当时,俄罗斯火箭专家齐奥尔科夫斯基从巴黎的埃菲尔铁塔得到灵感,大胆提议从地球的表面到其静止的轨道高度建一个“独立的塔楼”,并通过一条缆绳和一个电梯舱,将“塔楼”与地面连接起来,这样太空飞船可以不通过火箭发射就进入轨道.不过这在当时看起来简直是天方夜谭,甚至有人嘲讽他“不如改行去写科幻小说”.
不过太空电梯的概念自从被提出后,确实也成了科幻小说中常见的创作元素.1978年,被誉为现代科幻三巨头之一的阿瑟·,就曾将这一设想写进他的科幻巨著《天堂之泉》.这部小说描绘了在一座热带岛屿上,人们可以通过搭乘落在赤道上的一座天梯前往太空观光或运送货物.
2015年世界科幻小说最高奖“雨果奖”的获得者刘慈欣,在其科幻著作《三体》中,也多次提及太空电梯.其中有这样一段描述：
“所有的太空电梯都只铺设了一条初级导轨,与设计中的四条导轨相比,运载能力小许多,但与化学火箭时代已不可同日而语.如果不考虑天梯的建造费用,现在进入太空的成本已经大大低于民航飞机了.”
不光在文学界,在现实社会中,太空电梯也激发了科研人员的兴趣.
“我喜欢这个异想天开的创意,”伦敦大学学院高度、空间和极端环境医学中心创始人凯文·方在接受BBC电视台的新闻采访时说,“我能理解人们为什么被太空电梯的概念吸引,如果我们能以廉价和安全的方式进入太空,整个太阳系就会成为我们的囊中之物.”
预计耗资近百亿美元,值得吗
太空电梯之所以能点燃各国科学家的研究热情,低成本是主要原因.据国际宇航科学院（IAA）报告统计,一旦太空电梯建立,携带负载进入太空的成本可由每千克2万美元下降至500美元,可以为人类省下一大笔费用.
这主要是因为化学燃料占火箭80%的空间,14%为火箭的主要结构,只有6%的空间可以载人,发射和回收成本高昂.相比之下,太空电梯则拥有体积小、耗能低的優点.
而且加拿大托特技术公司也估算过,太空电梯应用后,航天飞机太空飞行的成本能节省大约1/3,会大大提高人类造访太空的频率,此举将开创人类探索太空的新纪元.为此,目前全球已有数个太空电梯项目在加快执行步伐.
1991年,碳纳米管被日本研究员饭岛意外发现,这种新型材料具有拉伸强度高、抗形变力强等极佳的力学性能,被科学家认为是制作太空电梯的最理想材料.
8年后,受美国国家航空航天局（NASA）资助,洛斯阿拉莫斯国家实验所的布拉德利·爱德华兹博士,制订出使用新型碳材料制造太空电梯的方案,并发布了用碳纳米管材料制作太空电梯的可行性报告.他还指出,太空电梯的成本为70亿至100亿美元,这远远低于其他大型太空项目的投资.
找到制造材料是最大挑战之一
根据科学家的设想,太空电梯的主体由5部分构成：地面基座、缆绳、电梯舱、太空站和重量平衡器.
其运作模式大致如下：从距离地面3.6万千米的地球同步卫星上“抛”下一根缆绳,下垂至地面基站,在引力和向心加速度的相互作用下,缆绳被绷紧；电梯舱则沿着缆绳往来运输人和物；此外,为保持平衡,在太空站远离地球的另一侧,也要架设数万公里的缆绳索道,并在缆绳末端连接一个重量平衡器.整条缆绳全长约为10万千米,大致相当于地球到月球距离的1/4.
那么在现实中要建造太空电梯,挑战在哪里呢？
从哥特式大教堂到摩天楼再到太空电梯,在建造任何高层建筑时,坚固度和平衡重心是两大关键.不过直到现在,可用于制造太空电梯所需绳索的材料仍屈指可数.
一根普通的钢丝从9千米的高空中垂下来就会被自重所拉断.好在碳纳米管的发现,让人们重新燃起了希望.2014年9月,美国科学家、宾夕法尼亚州立大学的化学教授约翰·巴丁在《自然材料》上发表文章,称他们研发出了超细、超坚固的纳米线,比之前发现的碳纳米管更坚固和牢靠.“我们的纳米线就像是一个由尺寸最小的串成的微型项链,其中一个最疯狂的想法就是用于制造超级坚固的轻型绳索,让打造太空电梯的梦想成为现实.”巴丁说.
目前,太空电梯不再被当作一个“超前命题”,这个项目逐渐被美国航空航天局、欧洲航天局等研究机构所接受.随着新材料科学的发展,太空电梯开始从幻想走进现实,不再是那么遥不可及.
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