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太空电梯,不止是拥有不可估量的商业价值

说到太空电梯,我必须要提美国科幻黄金年代的三巨头之一阿瑟·克拉克,他在 1979 年出版了一本科幻小说《天堂的喷泉》,并在第二年获得雨果奖。我完整地阅读过这本小说,说实话是硬着头皮啃下来的,因为实在不太像是小说,倒像是一本工程师写的操作指南,克拉克几乎就是在用写论文的方式完整地讲述了如何从无到有建造一座太空电梯。我的天哪,我从来没看过那本科幻小说能把工程细节描写到这个程度的。


实际上阿瑟·克拉克虽然没有正经的科学家或者工程师的头衔,但是作为英国皇家空军雷达技师出身的他,早在 1945 年就提出了利用地球同步轨道卫星构建全球通讯系统的构想,而且他真的不是说开个脑洞想想而已,而是认认真真地做了计算,提出了很多具体的实现方案。为此,国际天文学联合会把地球同步卫星轨道命名为“克拉克轨道”。克拉克的这个设想今天早已经成真了。


我有充足的理由相信,未来如果有一天,人类真的建成了太空电梯,那么一定会用阿瑟·克拉克的名字来命名整个工程或者某个部分,如果你对此表示怀疑的话,可以去买一本《天堂的喷泉》啃啃,只是要小心牙齿崩坏。


不过我必须要补充一点,最早正式提出太空电梯设想的其实是有火箭之父美誉的俄罗斯火箭专家齐奥尔科夫斯基在 1895 年就提出来了。所以,齐奥尔科夫斯基和克拉克都会成为未来太空电梯命名的有力候选者。


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好,下面我就来为你讲解在《迷人的技术》这本书中,作者魏纳史密斯是如何讲解太空电梯的原理以及实现路径的。

太空电梯的原理真的很简单,用最简单的话来说,就是在地球同步轨道卫星上垂一根长长的绳子,一直垂到地面上。因为地球同步轨道卫星是与地球自转同步的,所以理论上这根绳子与地面接触的地点就是可以固定在地球赤道的某处的。这根绳子上如果再装一个可以升降的电梯,那么就可以慢慢地升到太空中了。

当然,这么说有点过于简化了,实际情况还要比这个稍微复杂点。地球同步轨道的高度是在地球赤道上空大约 36000 公里,你想,一根长达 36000 公里的绳子的质量无论如何都是很可观的。所以,绳子加上同步卫星的共同质心就肯定会在同步轨道高度以下了,这样就不能保证它们整体上和地球自转保持同步了。

那要怎么办呢?其实也很简单,就是把这根绳子继续加长,一直延伸到卫星的上方,再连接一个巨大的配重物体,使得所有连在一起的物体的共同质心刚好落在地球同步轨道上,这样问题就解决了。


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建造太空电梯有 2 个难点,第一个难点就是如何获得最上面那个用来配重的物体。


目前,有三种常见的设想:


1.捕获一颗近地小行星

2.将我们多年来留在太空中的大量垃圾聚积在一起

3.将这根缆绳本身作为配重,拉的非常非常的长,以使它能完全以自身的质量来保持紧绷的状态。

 

至于地表上的基站,最佳的方案就是在海上建设一座可移动的平台,因为一座可移动的海上平台既能避开恶劣的天气,还可以调整缆绳的位置,以规避更高处的太空垃圾。

第二个难点,可能也是最困难的一个问题,估计你也猜到了,就是我们究竟该用什么材料来制造这根缆绳呢?

为了让你能理解制造这根缆绳的难度,我要先给你解释一个单位:尤里(Yuri),它是以太空电梯的另外一位重要提出者尤里·阿特苏塔诺夫的名字命名的。这个单位代表了材料的强度,也就是单位面积能够承受的极限力与材料的密度之比。尤里越大,则材料也就越不容易断裂 。


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经常被用来做眼镜腿的钛合金的强度大概是 30 万尤里,美国杜邦公司发明的超强材料凯夫拉的强度大约为 250 万尤里。而要成为太空电梯的缆绳,根据计算,它的强度应当介于 3000 万到 8000 万尤里之间。凯夫拉的强度至少还差了 10 多倍。


现在看来,前景最为乐观的候选材料名为碳纳米管。它的结构是碳原子排列成形似一根吸管的分子,直径小于头发丝。如果工艺完美的话,在理论上,碳纳米管的强度能达到 5000 万到 6000 万尤里的水平,可以用作太空电梯的缆绳。不过,这种材料的制造难度非常高,2013 年,我国清华大学的魏飞教授团队成功制造出了世界上最长的碳纳米管,长度大约是半米,这项成就在线发表在了国际著名材料学期刊《美国化学纳米》上。


好吧,现在能做出半米长的碳纳米管就已经是世界纪录了,而太空电梯需要的长度则至少超过 4 万千米,距离是还很远,但大家想想集成电路的发展吧,假如碳纳米管也以摩尔定律的速度发展,每 18 个月长度翻一翻。那么,从 0.5 米长到 6.7 万千米只不过需要 38 年的时间,这真的不算太久。真正关键的问题在于是否存在着这种材料的需求市场,如果没有商业需求,那么这个行业就不会有发展动力。


不过,除了长度问题,还有一些其他技术问题有待解决。比如,碳纳米管对电非常敏感,所以如果遭受到一次雷击,那这根带状物便会大面积地碎裂。有一种解决这个问题的最直接办法,太平洋上有一片从未有过雷击记录的区域,因此有人建议把太空电梯的基站放在那,但这种方案显然不能让大多数人安心。


当然,这个问题我相信最终也是难不倒科学家们的,给碳纳米管加上绝缘保护的方案并不难设计。


对太空电梯还有一个威胁,就是太空垃圾。太空中有很多高速运动着的东西,即便能躲开大体积的东西,小东西或许也能对缆绳造成长期的磨损。美国航空航天局先进概念研究所的罗恩·特纳博士说:“必须持续不断地翻新这台电梯的想法仍然是太空电梯最大的挑战之一,而且在我的印象中,他们对这个挑战始终没有一种好的解决办法。”


另外,这台太空电梯也许会成为恐怖份子眼中绝佳的袭击目标。我估计很多人会好奇,如果有人剪断了一根通向太空的缆绳会发生什么?


对这个问题的看法,目前还有一些分歧。全世界有好多个研究小组正在研究这个问题,他们模拟缆索在不同位置上被剪断的后果,粗略地来说,后果大概会是这样的:


无论从哪剪,这个切口以上的东西都会进入一条更高的轨道,而这个切口以下的东西则会坠向地球。


如果你在高处剪,那这根缆绳的大部分便会落向地面。在这个过程中,缆绳会受到重力和地球自转的双重影响,甚至还有可能和来自太阳的带电粒子发生相互作用,从而产生一些极为复杂的后果。简而言之,这根缆绳会开始猛烈地来回扭动,并在大气中升温,直至断裂。因为缆绳材料的重量必须很轻,所以一小块这样的材料很可能不会伤及地面上的任何人。此外,如果这根缆绳被制成了像渔网那样的结构,那么伤人的风险就会更低。


但是,这根缆绳实在太长了,我们假设是从 3 万公里的地方剪断的。那么,在地球以上 3 万公里的高度上,会有许许多多的低轨道卫星,轨道最低的卫星只有 150 - 300 公里左右。断裂的缆绳会像一根鞭子或者长蛇一样在太空中甩动,而有几千颗卫星在这片太空中运行,弄不好就会打中其中的一颗,对这颗卫星来说,显然是灾难性的打击。不过,损失一颗或者若干颗卫星,对于人类来说,也不算是什么了不得的损失。太空中几乎每天都有卫星在退役。


但是,我必须提醒你们,太空电梯这项工程绝不仅仅只是像美国的登月工程那样是一次科技实力的展示,他会给人类社会带来的巨变很有可能是远超你的想象的。



如果太空电梯真的实现了,那就意味着我们能以大约每千克不到 500 美元,甚至更低的成本往太空中输送货物,人类与太空的关系将被永远地改变。


普通人进入太空观光将成为可能,甚至可以建设太空中的定居点。


但是,还有一点你可能没有想到:太空中的任何一个人都可以轻易地对地面造成毁灭性的打击。



在冷战时期,有一个概念叫 “上帝之杖”。大致说来,就是从太空中把一块很重的金属扔向一个敌对国家,这块金属到达地面时,与一颗核弹具有的破坏力是一样大的。但是我们都知道,在空间站中,物体都出于失重状态,你想把东西扔回地球不是不可能,而是需要有额外的动力给物体减速,才能让它快速落回地球。因此,如果不是专门设计这样的武器,一名国际空间站上的宇航员是扔不出上帝之仗的。


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但是,有了太空电梯就完全不同了。可能出乎你的意料,太空电梯在上升过程中的绝大多数时间,你都不会感到失重,你只会感到自己的重量在很缓慢地逐渐减少。中国的天宫二号空间站的轨道高度大约是 300 公里左右,如果你乘坐太空电梯到达这个高度,你是不是会以为自己也像宇航员一样失重了?其实,你完全感觉不到失重,你会感受到跟在地面上差不了多少的重力。为什么会这样?那是因为,天宫号绕地球运行的速度要远远高于太空电梯,你在天宫号上失重的原因是你的重力与向心力达到了平衡。天宫号上的失重本质上是你在做自由落体运动,只不过因为下落的同时还有一个水平方向的速度,使得你只会绕着地球转圈,无法落回地面。


而太空电梯的绕地速度是恒定的 24 小时一圈,远远小于天宫二号的 90 分钟一圈。所以,如果有人在太空电梯中朝外面扔出一块金属,这块金属就会像自由落体一样落回地面,理论上每吨质量可以产生相当于 20 吨 TNT 炸药的爆炸当量,这个威力虽然比小型核弹还差一点,但也足够恐怖了。假如乘坐太空电梯观光与到上海的环球金融中心顶楼观光一样容易的话,很难保证不被恐怖分子或者某些心理失常的人利用。他们把自己的身体作为一颗超级炮弹也是有可能的。


另一种可怕的可能是大国的野心。如果人类获得了通往太空的廉价方式,很难想象所有的国家依然会遵守现在的国际公约,把太空当作是全人类共有的空间。太空电梯的建成很可能意味着一场政治纷争如疾风骤雨般呼啸而至。


一个国家如果率先拥有了进入太空的廉价方式,它将获得巨大的太空优势。这种优势可以来自于军事威胁上,抛开我前面说的随便仍一个金属块就能毁掉一个小城市不说,如果改用大型激光武器,那么在太空中可以极为精准地打击地面上的目标。除了军事上的优势,在其他领域,例如通信、太阳能采集等,都将获得巨大的优势。所以,我很难想象,世界上会有哪一个国家真的能独自拥有一架太空电梯。但是,另我感到非常惊讶的是,我在查阅与太空电梯有关的资料时,竟然发现 2012年 2 月:日本大林建设公司宣布以 100 亿美元建设太空电梯,时速 200 公里,单程需 7 天,预计 2050 年落成。当然,我估计全世界大概都没有太空多少人把这事当真,可能觉得比马斯克宣布 2030 年要把人类送上火星疯狂多了。


如果大家愿意在网上搜索一下有关太空电梯的资料,你会发现有非常多严肃的讨论。比如,我在论文检索网站 Science Direct 上用关键词 “Space elevator” 检索,有超过 30 篇论文标题中含有这个关键词。


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《迷人的技术》这本书中也提到,在一项对太空电梯的典型提议中,攀升器每天能将 1.8  万千克的货物升入轨道一次。国际空间站的质量大约有 40 万千克,这意味着即使电梯操控员周末休息,我们也能每个月发射一座巨大的空间站,费用大概总共是 50 亿美元的样子。


廉价的发射也将促使人造卫星系统被极大地改进,这应该意味着更好的通信方法和更精准的全球定位系统。或许还可以改善全球性的气候变化。科学家曾预测或许云量只要多出几个百分点,便能完全抵消掉全球变暖的趋势。阻止全球变暖的一种人工方式是发射一面巨大的屏障来阻挡部分入射阳光。有一天,你可能会抬头望向一块漂浮在天空中令人倍感亲切的深色遮板,它保护着你,使你免受灾难。


太空电梯的前景是非常诱人的,仅仅是太空旅游这一项需求就拥有不可估量的商业价值。你过去可能时不时地就会听到新闻中播报哪位富豪又花了几千万美元搭乘俄罗斯的联盟号飞船到太空一游。但我可以明确地告诉你,搭乘火箭去太空绝对不是一次很惬意的旅行。在起飞的时候要承受巨大的加速度,而且绝大多数的人会在零重力下吐得一塌糊涂,哪怕是训练有素的宇航员,所以,你可能不知道,在国际空间站,到处都有呕吐袋。这是因为我们在漫长的演化过程中,从未经历过长时间的失重状态,所以,我们的胃不习惯食物四处漂浮,而我们的平衡感也不习惯一个每次后倾便开始翻滚的世界。


但是,搭乘太空电梯进行太空旅游,将会是一次很不错的体验。首先,在太空电梯中,我们不必承受过大的重力加速度。而且这趟旅程完全没必要升到同步轨道的高度,那样的花的时间也太长,只要升到国际空间站的高度或者更高一点,然后就可以观光并返回了。在这个过程中,我们几乎感觉不到失重。当然,你也有可能就是为了体验一下失重才去太空旅游。这也很好办,只要让电梯在返回的时候做自由落体运动,失重感立刻就来,并且可以灵活控制失重的时间,让人们既能体验失重,又不至于时间过长而吐的一塌糊涂。


太空电梯这些诱人的前景必然会激励人们朝着这个方向努力,不论是出于大国政治还是商业价值,都能找到投入研发资金的理由。


但是,也请各位听众记住,今天这期节目绝不意味着太空电梯是一个在近未来能够实现的梦想,实际上,在我的有生之年我都不抱幻想。但在考虑了那么多种进入太空的方式后,我不得不承认,只有太空电梯这个方案能实现真正意义上的廉价进入太空。也只有这个方案,才能使得人类有可能建设巨大的太空定居点或者太空飞船,而这两样东西是人类离开地球摇篮,进入更深远宇宙空间所必需的。基于这个逻辑,又使我坚信,太空电梯的落成必将成为人类文明史上不可避免的一次里程碑式事件。




最后编辑于:2021/04/25作者: network

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