通往太空城的“天梯”

张唯诚

科学家们一直向往一种不用火箭就能把人送入太空的技术，人们最初设想的是一座可以连接地球和太空的高塔，后来变成一根能进入轨道的缆绳，但前提是人类必须找到足够坚固的材料。那么，人类离这个目标还有多远？以今天科技发展的水平看，它能够变成现实吗？

首先要说的是，“太空电梯”在理论上是符合科学法则的。1978年，在小说《天堂之泉》中，英国科幻作家阿瑟·C·克拉克描写了几位工程师在一座小岛上试图建造一座通天的索道的故事。他们历经艰辛，终于建成，最后让人们通过电梯成功移民到了其他星球。“如果天体物理学的法则允许一个物体悬停在半空，我们为什么不能从空中垂下一根绳索并用一个电梯系统将地球和太空连接起来呢？”克拉克的这段话在一定程度上道出了这种技术的可行性。

“通天”巨塔

19世纪末，俄罗斯科学家齐奥尔科夫斯基受巴黎埃菲尔铁塔的启发，构想了一座通天的高塔。它从地面一直往上建，直到地球静止轨道3.6万千米的高度。齐奥尔科夫斯基意识到，在那样的高度，只需将飞船轻轻地释放出去，它就可以像被投出去的链球一样摆脱地球引力，从而进入太空轨道。

然而，建造可以抵达太空的塔是不可能的。任何一个搭过积木塔的人都知道，塔高一旦抵达了某一点，积木塔的结构就将因承受不住自身的重量，或者无法维持自身稳固而垮塌。

于是，人们想到了一个更好的策略：建立一座随着高度增长而逐渐变窄的塔。但即使如此，问题也同样存在。欧洲航天局的物理学家马库斯·兰德格拉夫解释道，一座能够到达太空的塔太重了。地壳的平均厚度只有30千米，它下面的地幔又是软的，要支撑如此沉重的塔，地壳就显得太薄了。换句话说，塔对地球表面的压力是地表难以承受的。

垂直的“铁路”

因此，物理学家想到了另一种和塔的概念完全不同的办法——在地球轨道上悬挂一根缆绳或者缎带，并将缆绳的一端垂向地表，人们可借助工具沿着它升上太空。

在太空中使用缆绳并非只是一个想法。1992年，“亚特兰蒂斯号”航天飞机成功发射了一个系留卫星系统，人们要用一条长达20千米的缆绳连接卫星，但缆绳在施放时遇到了麻烦，最后仅施放了256米。国際太空电梯联盟负责人彼得·斯旺解释道：“缆绳或者缎带悬在地球上的方式，就像你把一块石头拴在一根绳子的末端，然后把它扔在你的头顶上一样。这是一种巨大的力量——离心力，它会把石头向外拉。”正如彼得·斯旺所言，就像石头拴在绳子的末端一样，一个平衡物处于远离地球的另一端能帮助电梯保持稳定，但是否需要这一物体取决于绳子的重量和长度。

因为这种电梯可以把人和设备很方便地送入太空，所以斯旺和该组织的成员正在努力地使太空电梯成为现实。据估计，今天把重达1磅的物质送到月球要花费大约1万美元，但有了太空电梯，这个费用就有可能降至接近100美元。

按照这个设想，太空探索者只须搭乘一种名为“攀登者”的交通工具即可离开地球。这种交通工具安装在缎带上，一对轮子或者带有皮带的装置夹住缎带的两面，就像跑步机一样能上下移动，把人或货物拉上拉下。美国华盛顿州西雅图的物理学家布拉德利·爱德华兹分别在2000年和2003年为美国宇航局撰写了关于开发太空电梯可行性的报告。他认为这种装置“在本质上就是一条垂直的铁路”。

“垂直铁路”的太空之旅

爱德华兹认为，走进电梯中的太空探索者，几乎感觉不到太空电梯在移动……它和普通的电梯没什么两样。进去后，乘客会看到锚站，缎带在那里固定在地球上。随着电梯的上升，锚站逐渐远去，直至消失。电梯的起步通常很慢，但它会逐渐快起来，时速可以达到160～320千米。视野也同样会发生变化，从云层和闪电过渡到地球表面，再经过国际空间站，最后到达地球同步轨道。

但一切并不会就此停住，电梯的末端是可以“弹射”的，可以用它把自己弹射到另一个星球，这就像用绳子甩出石头一样，如果松开绳子，石头就会飞出去。同理，太空电梯也是这样。在这种情况下，太空探索者的目的地可以是月球，也可以是火星，甚至是木星。

材料科学的突破

建造太空电梯最大的挑战可能是用什么作为10万千米长缎带的材料，它必须非常结实才能承受得住强大的重力和离心力。钢铁已无能为力了。于是，科学家们将目光投向了碳纳米管。美国阿拉巴马州奥本大学的化学工程师弗吉尼亚·戴维斯说：“碳纳米管是现今我们已知的最结实的材料之一。”这位科学家的研究重点是碳纳米管和石墨烯。石墨烯是另一种碳材料，和碳纳米管一样，都是纳米级材料，其薄片的厚度可达人类头发直径的千分之一。

碳纳米管的结构类似于一个卷成管状的链式围栏，由于其组成不是金属丝，而是碳原子，所以碳纳米管和石墨烯比大多数其他材料都结实得多，而且非常轻。戴维斯已经可以用碳纳米管制造纤维、缆绳和缎带了。但迄今为止，还没有人能够用碳纳米管或石墨烯制造出长达数万千米的材料。

爱德华兹估计，通往太空的缎带强度需达到63吉帕。这个数字非常惊人，比钢铁的强度高出了数千倍，比一些已知的最坚硬的材料，如用于防弹背心的凯夫拉纤维还高几十倍。虽然从理论上说，碳纳米管可以达到的强度远远超过63吉帕，但现实是直到2018年，研究人员才制造出一束超过63吉帕的碳纳米管。

离目标越来越近

然而，一条缎带的强度不仅取决于材料本身，还取决于它的组成方式。戴维斯说，碳纳米管亦有缺陷，其中缺失的原子不仅影响它的整体强度，还会影响缎带中使用的其他材料。

另外，即便材料问题解决了，电梯还得承受从雷击到太空垃圾碰撞等的各种威胁。这表明，太空电梯要变成现实还有很多问题需要解决。但在今天，由于材料科学和其他相关技术的迅猛发展，人们离实现这个目标已越来越近。

“毫无疑问，实现它还有很长的路要走，”戴维斯说，“但很多过去我们认为是科幻的东西，今天都实现了。其实所谓科幻，往往就是一种想法开始变成现实的那个起点。”