人類對太空總是充滿著無限幻想，許多人不僅想上去看看，還夢想長住在那里。

于是各種科幻小說和電影里充斥著龐大的太空城市，或光怪陸離，或炫酷無比。太空城市要住人，自然需要方便人們往返的交通工具，坐火箭太貴，就有人設(shè)想在太空與地面之間架一條電梯，稱為“太空電梯”。

太空電梯的提出

據(jù)說太空電梯的概念是蘇聯(lián)科學家康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基最先提出來的，他設(shè)想人類未來在一座直達太空的高塔尖端建設(shè)一座城堡，人要是想上天，就順著塔爬上去。啊，不對，他還要在這塔里造一個電梯，人坐在電梯里升上去。太空城堡太高，爬是爬不動的。

請原諒我在本文的開頭就調(diào)侃了一下齊奧爾科夫斯基，事實上他是一位偉大的科學家，他在西方世界最早提出反推力火箭的概念、最先論證了利用火箭進行星際交通、制造人造地球衛(wèi)星和近地軌道空間站的可能性，指出發(fā)展宇航和制造火箭的合理途徑，找到了火箭和液體發(fā)動機結(jié)構(gòu)的一系列重要工程技術(shù)解決方案。齊奧爾科夫斯基是西方現(xiàn)代宇宙航行學的奠基人，被稱為航天之父。

受齊奧爾科夫斯基設(shè)想啟發(fā)，1978年科幻作家阿瑟·克拉克在他的《天堂之泉》一書中具體描述了太空電梯，將其描述為一根長長的繩子，人們可以通過這根連接空間站和地面的繩子往來太空與地面之間，并且將建設(shè)材料運到天上建設(shè)空中城市。

太空電梯的研究與推進

1999年，美國宇航局（NASA）馬歇爾中心的先進辦公室發(fā)表了《天梯：太空的先進基礎(chǔ)設(shè)施》一文；

2005年，NASA正式宣布將“太空天梯”作為“世紀挑戰(zhàn)”的首選項目；

2012年，美國“電梯港集團公司”聲稱他們要在2020年前在月球上建一座太空電梯，這個公司的創(chuàng)始人兼老板是NASA的一名前工程師，他說每年需要籌集至少300萬美元來搞“可行性研究”；

同樣在2012年，日本一家建筑公司“大林組”宣稱他們也在研發(fā)一個叫“東京天空之樹”的太空電梯，計劃在2050年之前搞成功，目標是一次把“30名游客”送上地球同步軌道。

太空電梯什么樣？

到目前為止，科幻迷們畫了許許多多“天梯”的圖畫，從目前已經(jīng)掌握的資料看，太空電梯大致由這樣幾部分構(gòu)成：

一、地面基座

地面基座是太空電梯的出發(fā)地，游客和太空建筑材料都由這里出發(fā)升上天空。由于太空站設(shè)置在距離地面36000公里的地球同步軌道，所以這個地面基座也將設(shè)在地球的赤道上，不然電梯就是歪的。

二、堅固的繩子

既然是電梯，一定要有東西與太空相連，連接物可能是剛性的，更有可能是柔性的。設(shè)計者們認為一條或幾條堅固的繩子成本更低并且更加可靠。繩子將由未來最堅固的碳納米管材料制成。

三、空間站

設(shè)在距離地面36000公里高空的地球同步軌道空間站是太空旅行的終點，電梯將把旅客和建筑材料運送到這里。

四、“鉛墜”

稍懂力學知識的人都知道，地球同步軌道的空間站本身就是個力的平衡點，任何加在它上面的一點點拉力都有可能使它偏離軌道并墜毀，更不用說一條36000公里長的纜繩加上轎廂的重量了，所以這條纜繩還需要向上延長，到距離地面約10萬公里的高空，在那里有一個巨大的鉛墜，靠鉛墜繞地球離心運動的力將纜繩繃直。

五、轎廂

這是電梯升降的工具，它附著在纜繩上，靠電力或“激光推力”推動，可以載人也能運貨，日本人說它需要一周的時間才能將人送到同步軌道空間站。

是不是很科幻？

但是有許多問題需要解決，其中有些是硬傷。

一、上哪兒找這么根繩子？

據(jù)最新的研究成果證明，碳納米管是人類能做出來的最堅固材料，它比鋼鐵輕許多，但抗拉強度卻是鋼鐵的100倍！看樣子是建造天梯纜繩的終極理想材料。

碳納米管的密度是2.1g/cm3，鋼鐵的密度是7.85g/cm3，從重量看碳納米管大約只有鋼鐵的1/4。如果這條纜繩有5cm粗，從地面到空間站36000km的距離，纜繩自身的重量是多少？

假設(shè)這條纜繩粗細均勻，它的總體積是V=π×2.52×3600000000=70686000000cm3

它的總質(zhì)量約為148440.6噸。

如果這根纜繩連接到10萬公里高空的鉛墜，它的總質(zhì)量將達到41.23萬噸！

我們已知一根完美碳納米管的最高抗拉強度大約為200GPa，也就是說每平方毫米的碳納米管可以承受20萬N的拉力，直徑5cm粗完美無缺陷的碳納米管大約可以承受4萬噸的拉力。

由此我們可以很容易地知道，纜繩的抗拉強度遠遠比不上它自身的質(zhì)量，更不用說在它的上面還要附著沉重的轎廂，另一頭還要栓上沉重的鉛墜了。

碳納米管的研究目前還處于實驗室階段，科學家們能造出最長的碳納米管也僅在1米以內(nèi)，未來即使能造出幾千幾萬公里長的纜繩，如何將它的抗拉強度從理論值提高20倍，依然是個嚴峻的課題。

加粗纜繩如何？把它的截面積提高20倍可以嗎？不行。因為纜繩越粗它的重量等比例放大，一樣會被拉斷。

二、這么重的東西怎么送上天？

如果說太空站或地球同步軌道的太空城，我們可以一個模塊一個模塊用火箭發(fā)射上去，送到36000公里高的地球同步軌道拼裝；那個距離地面約10萬公里高空的巨大鉛墜也可以分割成小塊一點一點地送上太空拼裝起來。如何將一條重達40萬噸的纜繩送上太空？這是一個巨大的問題。

有朋友可能說了，那些粗大的跨江電纜可以通過直升機放細線、細線拉粗繩、粗繩拉鋼索的方式一步一步地達到目的，為什么太空電梯的纜繩不能照貓畫虎呢？

你有所不知，跨江纜繩再長也不過是幾千米，放線是水平拖動，纜索的抗拉強度完全可以承受電纜的重量。而太空是幾萬公里的垂直距離，你必須通過火箭將纜繩帶上天，即使是頭發(fā)粗細的先導纜索，現(xiàn)役所有的重型火箭都無法拖動，更不用說它即使被帶上太空，也只能承受其自身重量，更別說去拖動幾萬幾十萬噸的沉重纜索了。

沒有纜索的強大拉力，處于十萬公里高軌道的鉛墜能保持與地球同步軌道太空城相同的角速度嗎？并不能，它會飛得無影無蹤。

纜繩帶不上天，一切都無從談起。

三、太空城并不穩(wěn)定

說起地球同步軌道衛(wèi)星，許多人都覺得它是絕對穩(wěn)定的，只要將其定位在36000公里高空的軌道上就可以不用管了，這是非常錯誤的理解。

地球同步軌道衛(wèi)星除了以自身3.075km∕s的線速度平衡地球的引力之外，它還會時時受到其它天體的攝動力影響。

一座質(zhì)量達1000萬噸的太空城，它在地球同步軌道上運行時，月球?qū)λ臄_動力會有多少？

根據(jù)萬有引力公式 F=GMm/r2，

月球遠地點距離地球約406731km，如果空間站此時運行到近月點，月球?qū)λ囊s為36.9萬牛頓，也就是37653公斤力。

而當月球到達近地點時，它距離地球364397km，月球?qū)臻g站的引力增加到48163公斤力。

鑒于月球繞地球軌道面（白道面）與地球赤道面并不在一個面上，它的夾角在18.3°-28.6°之間不斷變化，因此月球?qū)μ幱诔嗟烂嫔线\行的太空城的引力是一個斜向力，它會將太空城拖著向兩邊不規(guī)律擺動。太空城質(zhì)量越大，月球?qū)λ臄z動力越大。

如果此時再加上太空電梯和它遠端連著的鉛墜，這個攝動力關(guān)系就更加復雜，來回間，連接纜繩會因應(yīng)力疲勞加速老化，最終崩斷。

四、災(zāi)難因素

太空電梯的纜繩面臨的考驗是多方面的。除了上一節(jié)提到的月球潮汐引力帶來的應(yīng)力變化和左右搖擺外，太陽風風壓、宇宙射線的摧殘、地球大氣流動的橫向拉力、轎廂輪軌的磨損等都會縮短纜繩的壽命。

在地球周圍的太空中，運行著數(shù)以千計的各種衛(wèi)星，這些衛(wèi)星幾乎無一例外地要穿越赤道面，理論上都有撞擊太空電梯纜索的可能。更不用說那些在外太空數(shù)以十萬計的太空垃圾和報廢衛(wèi)星，這些不受控的人造天體以極快的速度運動，哪怕是1厘米大小的碎片撞擊纜索，都會造成纜索的損傷甚至斷裂。

一旦纜索從中間斷裂，那個鉛墜會拖著一部分繩子飛向太空，巨大的拉力和應(yīng)力釋放會像鞭子一樣抽擊太空城，另一端纜繩則會抽打在地面上造成災(zāi)難。

這種纜索的維護和更換極其困難并且耗資巨大，你甚至不可能做到在太空中修補它，更不用說換一條新纜繩了。

總結(jié)：

說了這么多，我們最后以幾句話進行總結(jié)：

太空城市和太空電梯是偉大的構(gòu)想，事實上，它只是個不必要的幻想。人類開發(fā)太空并不是為了花“幾百美元”去同步軌道旅游幾天，即使這東西建成了，它對科學的貢獻有限，更多不過是極少數(shù)有錢人炫富的工具。

無論從技術(shù)角度、還是經(jīng)濟層面，在可預(yù)見的未來，巨大的太空軌道城市以及太空電梯都是不會實現(xiàn)的。

太空電梯本身蘊含著諸多不確定性和毀滅性風險，盡管這種風險在科幻小說和貪婪商人用以圈錢的PPT中被忽略，但我們應(yīng)該從科學的角度來審視它，正視這種風險和危害。

齊奧爾科夫斯基說：“地球是人類的搖籃，但人類不可能永遠被束縛在搖籃里。'無論從科學的角度還是為了人類的未來，我們都應(yīng)當將眼光放在更遙遠的星球，而不是用一根繩子將自己拴在搖籃的邊緣晃動。更何況，這注定是根不牢靠的繩子，它會帶來毀滅。

太空天梯，你想想就好。