揭秘太空电梯——联接地球与太空的神秘桥梁

在近日上映的国产科幻片《流浪地球2》中，太空电梯这一重要建筑物引发了许多观众的好奇。在互联网上，对太空电梯的科学合理性讨论也层出不穷。

事实上，太空电梯并不仅是单纯的科学幻想，也是一条理论上可行的未来技术方向。

图注：流浪地球2中的太空电梯

一、太空电梯是什么？

顾名思义，太空电梯是一座巨大的电梯，其底端位于地表，顶端则位于高度约36000Km同步轨道（也被称为地球静止轨道）。

图注：太空电梯的简单示意

具体来讲，太空电梯有三个部分，第一部分是地表的基座，在《流浪地球2》中，基座是一座位于加蓬的巨大陆基设施。在现实的讨论中，许多人认为基于海上移动基地的基座方案更具有可行性，可移动的站点能有效地规避各种地球天气问题和轨道碎片。基座必须位于赤道地区，否则无法使系统的重心处于需求的轨道。

第二部分是系缆，用某种性能强大的材料作为缆绳，联接底部基座和顶部的配重结构。

第三部分是轨道站点，这一部分位于整个建筑的最顶端，其作为配重来平衡太空电梯的自身重力，并使得太空电梯整体重心位于地球同步轨道，也即赤道上空35786公里处。

太空电梯是一个极其庞大的巨型系统，而其能稳定存在的原因正是其精妙控制的系统重心。当重心位于同步轨道时，太空电梯自身产生的离心力将恰好相当于系统的总体重力，而向上的离心力和向下的重力像是“揪住”系缆的两端，把它“抻直”。

二、太空电梯是用来做什么的？

简单地讲，太空电梯是一种极其廉价的太空运输系统。

在目前，人类主要依赖的太空运输方式是化学燃料火箭，每次发射都要消耗数百吨的液体燃料来把数十吨物资送入太空。这一方式是目前最简单有效的方案，但也意味着极其昂贵的成本。虽然可回收火箭等新技术在不断降低太空发射的成本，但在目前，向近地轨道运送物资的成本依然超过一千美元每公斤。

图注：《流浪地球2》中正在着陆的可回收运载火箭

利用太空电梯运输则廉价得多，由于太空电梯可以凭借系缆以慢得多的方式向太空前进，而不需要像火箭一样有极高的推重比，同时，太空电梯的轿厢是可以完全回收的。

在电影《流浪地球2》中，太空电梯的轿厢使用了类似于火箭的推进方式，并在推进过程中达到了9g的加速度。而在现实中，太空电梯的轿厢可以用更加“温和”的推进方式，例如单纯的使用轮子在轨道系缆上“攀爬”。

图注：《流浪地球2》中借助火箭升空的太空电梯轿厢

温和的推进方式除了意味着更廉价的轨道运输成本之外，也意味着更低的加速度，这意味着大部分普通人，乃至于一些无法承受高加速度的科学仪器都可以通过太空电梯进行运输。

此外，还有一个有趣的问题是轿厢该如何储存能量，和大部分人想象的电梯不同的是，太空电梯的路径全长超过三万公里，仅凭轿厢本身携带的能量很难满足这趟漫长的旅程。目前已经有许多关于太空电梯向轿厢传输能量的想象，除了像《流浪地球2》一样把推进剂直接放进轿厢之外，还有许多不同的方案，例如使用激光传输能量给轿厢，或者在高空采用太阳能来获取能量。

太空电梯的概念最早由齐奥尔科夫斯基在1895年提出，随着纳米技术的不断进步，这一构想正在不断走向现实。2019年，国际宇航科学院（IAA）发布了名为《太空电梯时代之路》的研究报告，此报告指出太空电梯似乎的确可行。

太空电梯的最大技术限制来自于其所需要的系缆结构，这些系缆需要承担系统产生的极大张力，绝大部分的常规材料都无法在超过三万公里的尺度上表现出满足需求的性能。根据物理学家布拉德利·C·爱德华兹的设计，系缆材料的抗拉强度需要达到100GPa。

目前，太空电梯的系缆结构材料备选方案包括碳纳米管和碳纳米线，这些材料虽然在理论上可行，但是其加工难度极高，生产出连续的、长达上万公里的碳纳米材料依然是无法做到的。国际宇航科学院寄希望于研究一种专门用于太空电梯系缆的新纳米材料，并建议在之后几年进行验证。

同时，建造一个足够平衡太空电梯重量的轨道配重也是极其困难的事情。除了在太空电梯的顶点建造一个巨型空间站外，直接捕获一个小行星作为轨道配重也是可选的方案之一。不过，目前人类所掌握的技术还不足以捕获如此尺寸小行星并将其送入预定轨道。

总的来说，太空电梯计划介于完全的幻想与真实的科学之间，其所代表的是一种廉价的太空探索之梦，虽然目前看来似乎仍有距离，但随着技术的发展，我们距离这个梦想可能会越来越近。

作者简介：付文鹤，科幻工作者，中国科普作家协会会员，主要从事科幻、科普相关工作，长期研究国内外航天科技发展，曾获2018、2019科普中国军事科技前沿年度优秀作者称号

出品：科普中国

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作者：付文鹤

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