人类能造出太空电梯吗？

人类能造出太空电梯吗?

据日本媒体报道，日本静冈大学的研究人员将于2018年9月进行世界上首次太空缆绳的运行试验。

试验将使用两颗边长10厘米超小型卫星，卫星之间用长约10米的钢制缆绳连接。在缆绳上，研究人员将尝试使用电机来移动一个形似电梯升降机的箱子。虽然这距离实现真正的太空电梯的构想，还有很长的路要走，但这10米，毕竟人类走出的第一步，

目前，无论人类要实施哪项太空计划，首先都要摆脱地球的引力束缚，这都少不了运载火箭的帮助。但运载火箭存在许多问题。

首先火箭为了摆脱大气层需使用大量燃料，作为一种运输手段来说效率非常差。目前火箭的有效载荷只有其自重的百分之几。

也正因如此，用火箭向太空输送物资和航天员是非常昂贵的。根据NASA的一份报告指出，在2018年他们要向俄罗斯支付约4.9亿美元才能把6个宇航员送上太空，也就是平均一个席位8200万美元。至于发射卫星，虽然不同的公司的花费不一样，但每吨耗资也在1000万美元到3000万美元之间。

另外，火箭对地球环境造成很多破坏性的影响。以固体燃料为动力源的火箭发射时排放出的氯气会与臭氧层发生化学反应，并有可能令臭氧层变得稀薄。

可问题是，现在除了火箭，我们进入太空也没什么别的办法。

也有人曾经设想过其它的运输选择，比如太空电梯。它被认为是一种低成本的从地球表面通往空间的解决方案。

太空电梯的想法可以追溯回1895年，当时一个俄罗斯科学家受到当时刚建成的埃菲尔铁塔的启发，他开始思考，如果能够把铁塔建至35,800公里的高度，就会直达地球静止轨道，那么就不需要火箭也可以把飞船送入太空。他的概念跟我们现在的想法差不多。

太空电梯也是科幻作品的惯用桥段。科幻小说家克拉克在1979年出版的《天堂的喷泉》一书中，就提到了主人公修建了一座太空电梯，这极大的激发了人们对太空电梯的极大兴趣。

“太空电梯”最关键的是那条超长的缆绳，缆绳的顶端是一个起配重作用的中转空间站。引力和外向离心力之间的对抗让缆绳处于紧绷状态，升降机可沿着缆绳上下移动。

由于“太空电梯”的中转空间站类似于地球同步轨道卫星，因此只要先通过电梯将飞船运送至中转站，飞船就可以以空间站为基地，轻易摆脱地球引力开始新的航程。

 “太空电梯”的升降机不仅在下降时可以回收利用上升过程中所用的能量，而且还可以借助外部能源加速。因此，它在向太空运送物资等的效率远比火箭高。有估算称，“太空电梯”运送和释放飞船的成本要比火箭减少两位数。如果使用“太空电梯”在地球同步轨道或更高处释放卫星，人类将不再使用大型运载火箭，这对未来有效解决发射过程的高成本这一太空开发领域的瓶颈显然是非常有利的。

火箭发射易受天气影响，在向太空输送物资时，往往要选择好天气。而“太空电梯”则不同，它不太受天气影响，可以在大多数天气状况下运送物资。

除了运输物资，太空电梯还能起到推动宇宙太阳能发电站的开发等作用，因此受到各国探索机构的关注。

2007年，日本就已经设立了一个由科学家组成的“太空电梯协会”，并对此展开研究。根据他们的设计，太空电梯升降机最高时速200公里，从地面出发第8天可以抵达空间站。平均每千克的运送成本约为几万日元，相当于航天飞机的百分之一左右。

但是，“太空电梯”的方案，自提出之日就遭遇到了各种难题的拷问。

首先建造太空电梯的主要挑战在于缆绳面临的巨大应力。找不到合适的材料制造缆绳，太空电梯就只能作为一个科幻般的概念存在。

过去几十年，一些大型设计比赛和提案接二连三登场，都希望能够解决这个问题，但迄今为止，没有一个设计取得成功。

虽然近年来随着碳纳米管的出现，为解决缆绳问题提供了一种可能，但纳米材料的强度和刚度会因为建造的规模变大而变小。也就是说，建造纳米级尺寸的物体时，纳米材料能够保持它原有的强度和刚度，但是用纳米材料建造一个大尺寸的物体时，纳米材料的强度和刚度就降低了。根据2006年的一项建模研究，10万米长的纳米管缆绳将导致总体强度降低70%。目前这个问题还困扰着科学家们。

其次，太空电梯的安全问题也是一个人难题。电梯舱和缆绳必须能抵抗来自风和闪电的袭击，避免飞机等飞行器与缆绳或者电梯舱相撞。同时，在地球的外面存在着数量庞人的太空垃圾，如何避免太空垃圾对太空电梯的影响，也是需要解决的。

但是科学家们都相信，随着技术的发展，现在所遇到的这些难题都会被一一解决，建造太空电梯只是时间问题。

实际上，包括美国宇航局在内的各个机构一直没有放弃探索打造太空电梯的可行性。对于当前的材料无法承受建造过程中的巨大应力和压力这个问题，总有不信邪的人存在。

约翰斯•霍普金斯大学的数学家普佩斯库和机械工程师肖恩便指出，只要建造者能够从生物身上取经，细致评估相关风险,同时制造一批自主维修机器人，在不久的将来建造一部太空电梯并非不可能。

研究过程中，他们对太空电梯工程进行建模。他们的模型是基于生物学结构，比如借鉴韧带和肌腱。

碳纳米管是理论上制造太空电梯缆绳的最佳选择，但当前的技术无法制造出超过几厘米长的碳纳米管。

他们建议采用一些复合材料——让碳纳米管与其它材料相结合——虽然强度不及纯碳纳米管，但可以借助自修复机制获得所需强度，以确保巨型结构的稳定性。在缆绳复杂的编织结构中，当任何细丝出现故障，影响仅限于自身的一段，负载立即由临近段分担，直至修理机器人抵达进行更换。

这种模型的基础是将目光从工程学标准转向经常在生物身上发现的结构。比如人体的跟腱和脊柱可以承受的应力，远远超过工程中一般材料的受力极限。其主要原因在于，肌腱和脊椎至少在一定种程度上拥有自我修复能力，而这正是钢材等材料所欠缺的。

两位研究员指出如果太空电梯在设计上具备这种能力，便无需等待超乎想象的材料学进步。自动修复机制能够保证太空电梯在高应力条件下的可靠性，让使用强度较弱的材料进行建造成为可能，进而让建造太空电梯的梦想照进现实。