“太空電梯”這種東西，大家一定在科幻作品中見(jiàn)過(guò)。這種連接地球與太空的軌道，仿佛離生活非常遙遠，就像是一種荒謬的存在。但科學(xué)家們卻表示：太空電梯真的可能實(shí)現，它是人類(lèi)新的太空夢(mèng)。
20世紀90年代，人類(lèi)發(fā)明了碳納米管，這是一種輕巧、剛硬、堅韌的材料，被科學(xué)界視為“太空電梯”中軌道電纜的最理想材料。隨著(zhù)碳納米管技術(shù)的發(fā)展，人類(lèi)的登梯游太空夢(mèng)將一步步照進(jìn)現實(shí)。
太空電梯
1979年，英國著(zhù)名科幻大師阿瑟·克拉克在小說(shuō)《天堂之泉》中，首次提出了“太空電梯”的概念，它大膽又充滿(mǎn)想象力。
隨著(zhù)人類(lèi)探索太空步伐的加快，科學(xué)家們開(kāi)始認真考慮，能否研制出太空電梯，實(shí)現太空與地球間物資更便捷地交換？
1991年，日本科學(xué)家飯島意外發(fā)現了碳納米管，其力學(xué)性能極佳，有著(zhù)極高的拉伸強度、極強的抗形變力和斷裂伸長(cháng)率。它輕巧、堅韌又剛硬?？茖W(xué)家們表示，碳納米管便是制作電梯的最理想材料。
1999年美國航空航天局資助了布拉德利·愛(ài)德華茲博士所在的洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗所，要求他制訂出使用新型碳材料制造太空電梯的方案。他為此進(jìn)行了研究，并發(fā)布了用碳納米管材料制作太空電梯的可行性報告。
布拉德·愛(ài)德華茲博士指出“太空電梯”的成本為70～100億美元，這遠遠低于大型的太空項目。英國一項測算也顯示，太空電梯的運送成本僅占常用航天器的0.25%。而且它一旦建成，將大大提高人類(lèi)造訪(fǎng)太空的頻率，也將開(kāi)啟人類(lèi)探索太空的新紀元。2005年3月23日，美國航空航天局正式宣布太空天梯已成為世紀挑戰的首選項目。
碳納米管：一種由碳元素構成的中空管狀納米級超細纖維。它重量輕，具有完美連接的六邊形結構，還有許多超常的力學(xué)、電學(xué)和化學(xué)性能。如其在單位質(zhì)量上的拉伸強度是鋼鐵的276倍，遠超其他材料。
“太空電梯”計劃書(shū)
21世紀初，愛(ài)德華茲經(jīng)過(guò)幾年的研究后，給美國航空航天局擬訂了一份關(guān)于太空天梯的詳細計劃。他在計劃書(shū)中建議將兩根5至10英寸寬的碳納米管纜繩運到赤道上空約35000千米的地球同步軌道，系在地球同步衛星上，然后讓兩根纜繩的另一端飄回地面，與太平洋中一個(gè)類(lèi)似石油鉆探平臺的設施相連。
接著(zhù)，將系在衛星上的纜繩向地球外上升到約69.9萬(wàn)千米的太空，兩根纜繩的中心點(diǎn)應一直保持在地球同步軌道上。然后，讓裝有接觸踏板的“車(chē)廂”在激光能源的推動(dòng)下，從地球表面沿纜繩向上攀爬，從而像拉鏈一樣將兩根纜繩黏合到一起。
隨后，另外229個(gè)這樣的“車(chē)廂”將更多的碳納米纖維結合到一起，形成一根寬約1米的纜繩。這樣，太空電梯便建成了。
使用太空電梯時(shí)，一列載重13噸的“車(chē)廂”將貨物或人員以每小時(shí)201千米的速度沿太空天梯上升。經(jīng)過(guò)7天后，“車(chē)廂”抵達地球同步軌道。開(kāi)始時(shí)，可把第一批抵達太空的貨物和人員停放在儲存軌道上，隨著(zhù)越來(lái)越多的太空電梯得以建成，運營(yíng)成本將進(jìn)一步降低，而且貨物和人員可以實(shí)現上下循環(huán)，來(lái)往自如。
在幾列太空電梯開(kāi)始滿(mǎn)負荷運行后，人類(lèi)便可以利用這種廉價(jià)而便利的交通工具開(kāi)發(fā)更大規模的零重力制造業(yè)、太空旅游業(yè)，更好地對地球環(huán)境進(jìn)行監測，清除地球軌道上的人造太空垃圾，在小行星上采礦，以及做各種各樣的其他的工作。
愛(ài)德華茲的太空電梯計劃，不僅開(kāi)創(chuàng )了太空天梯建造的新時(shí)代，而且正如他在2002年出版的《太空梯：一種革命性的地球·太空交通系統》一書(shū)中所說(shuō)的：“太空電梯可以使人類(lèi)歷史實(shí)現跳躍性的發(fā)展?！?/font>
太空電梯將在在15年內出現
愛(ài)德華茲曾在2004年大膽預言：15年之內，也就是2019年之前，科學(xué)家們將在距離厄瓜多爾海岸1931千米的海面上建立一個(gè)平臺，一根約1米寬、厚度比紙還薄的碳納米管纜繩的一端與該平臺相連，另一端伸向約10萬(wàn)千米之遙的太空，在地球旋轉的向心力作用下，纜繩將會(huì )被拉得很緊。
貨物或人員可以沿著(zhù)纜繩爬行到任意高度：在低空，人類(lèi)可以進(jìn)行太空旅游；在中空，通信衛星將進(jìn)入地球同步軌道；進(jìn)入高空后，可利用地球的旋轉將飛船送上月球、火星，甚至更遠的地方。
一旦這種太空電梯建成后，通常利用耗資巨大的火箭將人員或貨物送入太空的方法將會(huì )被太空電梯取代。尤其讓愛(ài)德華茲感到滿(mǎn)意的是，太空電梯將大幅度降低運載成本，每磅（約0.45千克）載重將只耗費100美元。相比而言，目前使用航天飛機的運載成本是每磅1萬(wàn)美元。而且，太空電梯本身的建造成本僅需60億美元。
對于太空電梯的大膽設想，一些科幻小說(shuō)家和工程師早已談?wù)摿撕芏嗄?，但由美國航空航天局資助的這項設想卻具有極大的可行性，這令航天界人士大為震驚。美國航空航天局的戴維·史密瑟曼說(shuō)：“這是迄今為止我見(jiàn)到過(guò)的最大膽而又最詳細的設想?！泵绹教旖绲呐撂乩锵摹だ麪杽t說(shuō)：“愛(ài)德華茲把一切都考慮周到了，從而引起了人們廣泛的興趣和期待。他使太空電梯顯得真實(shí)可行?！?/font>
雖然如今看來(lái)，愛(ài)德華茲的這一預言可能要破滅了，但他勾畫(huà)出來(lái)的太空電梯場(chǎng)景及其可行性，還是非常有前景的。一旦碳納米管纜繩被科研攻關(guān)拿下了，人類(lèi)建造太空天梯的“曙光”就降臨了。
地球同步軌道：傾角為零的圓形地球同步軌道稱(chēng)為地球靜止軌道，因為在這樣的軌道上運行的衛星將始終位于赤道某地的上空，相對于地球表面是靜止的。這種軌道衛星的地面高度約為 3.6萬(wàn)千米，它的覆蓋范圍很廣。
建造太空電梯需要更長(cháng)的碳納米管
人類(lèi)要完成“太空電梯”這一壯舉的核心技術(shù)，就是碳納米管技術(shù)。因為人類(lèi)要用碳納米管材料，做出足夠長(cháng)、足夠輕、足夠剛硬、足夠柔韌的“纜繩”。其實(shí)科學(xué)家們，一直走在科研攻關(guān)的路上。
例如，2013年我國清華大學(xué)的魏飛教授帶領(lǐng)的團隊，制備出了世界上最長(cháng)的碳納米管，其單根長(cháng)度可達半米以上，這是目前一維納米材料長(cháng)度的最高值。魏教授表示：他們團隊的目標是制備出千米級以上長(cháng)度的碳納米管，為“太空電梯”的制造開(kāi)啟一線(xiàn)曙光。
碳納米管有很多應用，最重要的一個(gè)方面就是制造出“又輕又韌又強又便宜”的材料。它剛被發(fā)現時(shí)就因超高的彈性模量、機械強度高、質(zhì)量超輕而備受科學(xué)界關(guān)注，而碳又是一種便宜的元素。因此，很多團隊參與此項研究，希望做出“又輕又韌又強又便宜”的超級纖維。
遙望未來(lái)的航天事業(yè)，一種高質(zhì)量的碳納米管的出現，將幫助人類(lèi)達成建造“天梯”的夢(mèng)想，能夠更快速、更省成本地發(fā)射航天器。
啟動(dòng)“太空電梯”項目
2012年，由美國航空航天局前工程師邁克爾·萊恩創(chuàng )辦的電梯港公司宣稱(chēng)：該公司可用現有技術(shù)在月球上建造一座太空電梯，并表示這一想法能在8年內成為現實(shí)。
據報道稱(chēng)，該公司研發(fā)的“太空電梯”系統，首先會(huì )用纜繩測試，隨后再推出月球系統。該公司的研究人員希望，最終他們能夠使用“太空電梯”將空間站與月球連接起來(lái)。該公司還在網(wǎng)上發(fā)起一項集資活動(dòng)，希望為月球“太空電梯”籌得第一筆資金。
此外，2012年，日本的大林組也首次完整提出“太空電梯”計劃。為此，他們邀請所有日本的大學(xué)參與進(jìn)來(lái)，共同研究“太空電梯”所需要的技術(shù)。大林組自信能在2025年開(kāi)始建造太空電梯，預計在2050年完成一個(gè)“太空電梯”建造項目，電梯的總建造高度將達到9.6萬(wàn)千米。
2015年8月加拿大的托特公司表示，他們計劃建造一個(gè)太空電梯，高度約兩萬(wàn)米。該公司已獲得一項美國專(zhuān)利權用于建造獨立塔狀結構，可從地球表面向空中延伸至萬(wàn)米，這個(gè)太空塔的高度是世界上最高建筑物（迪拜的哈利法塔）的20倍。他們同時(shí)表示，未來(lái)太空電梯將作為其太空旅游業(yè)的一個(gè)重要部分。
上述的這些“太空電梯”項目，不論未來(lái)是否能夠成功，但都表明在21世紀人類(lèi)就希望建造出“太空電梯”的迫切愿望與信心?！疤针娞荨币呀?jīng)從科幻電影，慢慢一步步走入現實(shí)世界，真是觸手可及了。
太空電梯有什么麻煩？
太空電梯為人們提供了一種到達太空更為經(jīng)濟和便利的途徑，就像坐著(zhù)快速電梯上高樓一樣。它將使傳統的運載火箭面臨“下崗”的威脅。然而，美夢(mèng)成真并不是輕而易舉就能實(shí)現的。
太空電梯所用的材料要求非常嚴格和苛刻，以至于通常所用的材料都難以承擔和勝任。這項技術(shù)的最大障礙在于纜索材料。目前最有希望的是碳納米管，因為厚度僅為頭發(fā)絲1‰的納米管可承受比自身質(zhì)量大5萬(wàn)倍的重物，但超長(cháng)碳納米管的研發(fā)仍有一段路要走。
如果要造“太空電梯”的纜索，就像要鋼纜一樣將無(wú)數根碳納米管擰成一根緊密的“繩”。首先做天梯的碳納米管需要足夠長(cháng)，而碳納米管要想長(cháng)很長(cháng)，其生長(cháng)的催化劑活性需特別高，且能堅持很久。目前人類(lèi)研發(fā)的最長(cháng)的單維碳納米管僅半米以上，因此科研方面仍需努力。
此外，一旦有了足夠長(cháng)的碳納米管，要把它們做成高質(zhì)量的纖維，還需要紡織技術(shù)的配合。試想一下，站在直徑一米的“地球”外面，想要將幾千億根長(cháng)長(cháng)的碳納米管紡成一根結實(shí)的“線(xiàn)”，傳統的紡織技術(shù)肯定不行?，F有的做法有聚合物熔融、氣相沉積、靜電紡織等，但這些方法都還需要改進(jìn)，不過(guò)人類(lèi)總算有紡織它的方法了。
“太空電梯”因應用成本更低，所有的太空機構都很喜歡這一構想。目前超級納米纖維的研制已吸引了數十億美元的科研經(jīng)費。
科學(xué)家預測在2020年左右，人類(lèi)可以通過(guò)此技術(shù)研發(fā)出最適合的“太空天梯”材料。許多科學(xué)家的態(tài)度更樂(lè )觀(guān)，認為人類(lèi)在最近的50～100年內，就能夠建造出“太空電梯”改變世界。
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