可送人类进入太空的天梯，真的是存在的吗？

图片来源@视觉中国

文｜观察未来科技

随着太空旅游商业化的打开，在太空中生存已经成为看得见的明天。

当然，在太空生存的第一步，是走向太空，尽管当前的载人火箭已经能够把人类送向太空，但随之而来的火箭和火箭燃料的费用却极其昂贵——火箭技术以重新组合原子和分子中的电子为基础，火箭燃料属于化学能源，其效率只比古老的内燃发动机高3倍，比壁炉中的煤燃烧高5倍。若想将物体送入地球轨道，至少要花费1000万美元。

并且，无论使用的是固体燃料还是液态燃料，火箭发射过程都是一个几乎无法控制的爆炸过程。一个焊接点、一个阀门或一个开关出现故障，都会带来灾难。而此时，如果能够拥有一部直通太空的电梯，理论上，这部电梯除了能够完成往返旅程，更是只需要支付实际产生的电费。

面对棘手的成本问题，太空电梯似乎成为了一个良好的解决方法。

一部送入太空的电梯

太空电梯，简单来说，就是一部可以将人类送入太空的电梯。实际上，自有文字记录以来，人类就梦想建造出能修通往遥远太空的设备。就像圣经中巴别塔的故事一样，《圣经·创世记》中讲道：“他们说，来吧，我们要建造一座城和一座塔。塔顶通天。求你使我们得名声，免得我们分散在全地球上。”

现代人类也曾建造出高耸入云的建筑。当前，全世界最高的建筑是828米的迪拜哈利法塔。当然，太空电梯的高度将远不止于此。毕竟，从地面到近地轨道，就有将近400千米的高度。

第一个现代太空电梯的概念，出自航天之父——康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基。彼时，齐奥尔科夫斯基从刚建成的埃菲尔铁塔得到启发，假想了一个高达35790千米的结构，这个高度与地球同步轨道的高度相当。地球同步轨道的轨道周期与地球自转周期相同，因此，从地面上看，物体在太空中的位置是固定不变的。这个时候，如果从地球同步轨道的某一个点向下看，这座城市也将永远保持在这一个点的正下方，如果这个点停留在轨道上，城市将永远不会相对于这个点移动。

从如此高的建筑物顶端释放一个物体，就像人类拥有了一座直通太空的天梯，但是，这个结构产生的极端压缩是任何材料都无法承受的，因此，齐奥尔科夫斯基的想法渐渐就被人遗忘了。

直到1959年，另一位苏联科学家尤里·阿特苏塔诺夫（Yuri Artsutanov），提出了一个更加可行的想法。他建议从地球同步卫星上放下一根缆绳，同时向远离地球的方向伸出一个平衡物，以保持受力平衡，这样缆绳就可以悬停在地球表面的同一位置。太空电梯应保持拉紧状态，不能收缩或弯曲。

这就是物理学。缆绳的近地端之所以能够保持拉力，是因为地球具有较大的地心引力，而缆绳的另一端之所以能够保持拉力，则是因为深深入太空的缆绳顶端连接在小行星上，其产生的离心力同样为缆绳施加了一个力。这样我们就拥有了垂直的高塔，可以从地球表面直接延伸到太空。

20世纪60年代和70年代，太空电梯，或者说缆绳的构想经过了多次革新。1979年，因科幻作家阿瑟·克拉克（Arthur Clarke）的小说《天堂的喷泉》（The Fountains of Paradise），太空电梯引起了公众的兴趣。克拉克意识到，缆绳应该呈锥形，且与地球同步轨道在同一高度的部分最粗，而两端应该稍细，这是为了使缆绳在给定横截面上承受的总重量相等。

之所以要保持总重量相等，是因为在拉紧的状态下，缆绳上的任何一点都必须能支撑自身的重量。缆绳上所受张力最大的位置，和地球同步轨道在同一高度。克拉克还意识到，随着缆绳下段的建造，平衡物将往上延伸到144000千米的高度，几乎接近地月距离的一半。

然而，研究这一问题的工程师们发现，已知的材料都无法胜任这一重任。

现代人的巴别塔

一种材料能否用于建造太空电梯，主要取决于它的抗拉强度和密度。衡量其品质的一个重要指标，是它在自身重量下断裂前所能达到的最大长度。

但显然，传统的材料无法成为天梯缆绳的制造材料。当前，桥梁中使用的钢索，其断裂长度为25千米～30千米。蜘蛛丝虽然是由蛋白质组成的，但它的抗拉强度和钢相当，而密度只是钢的1/6，所以其断裂长度为100千米，但还不足以达到近地轨道。即便是合成纤维，或许能将人类带到300千米或400千米的高度，这个高度足以到达国际空间站，但仍无法将平衡物送入更高的高空。

理想状态下，这条缆绳还应具有导电功能，因此，电梯的主体结构材料实际上可用作电力系统的一部分。并且，这部电梯必须足够强大，不仅能够承受自身的重量，还要能够承受缆绳顶端锚定的行星给电梯带来的张力。

这意味着，在搭建太空电梯之前，人类还需要找到一种比现有任何材料更加结实、更加轻便的新型材料。从理论上讲，石墨烯以及碳纳米管是目前已知的、能够实现这些要求的唯一材料。

石墨烯与碳纳米管同出一源，只不过，石墨烯更加简单且精妙，石墨烯由单一的碳元素，通过一种化学键形成。实际上，当谈到某种材料时，多数人都会想到构成这种材料的原子和分子，其中分子是由特定种类和数量的原子构成的。但对石墨烯而言，碳原子的数量多少并不重要。真正使石墨烯区别于金刚石和石墨等其他纯碳材料，进而表现出自身特性的关键在于碳原子间的结合方式。

从原子层面观察，单层石墨烯看起来就像是一个由六边形单位构成的铁丝网围栏，每一个碳原子构成了六边形的每一个顶点。这种六边形的分布方式使石墨烯中的众多碳原子能够分布在一个平面上，并赋子石墨烯神奇的强大特性。石墨烯拥有扁平的二维分子结构，因此单层石墨烯只有一层原子那么厚，而就是一层原子厚度的石墨烯材料却格外强韧。对石墨烯的应用已经成为21世纪材料技术革命的关键所在。并且，不需要付出沉重的环境代价。

另一边，将碳原子连接在一起，卷成直径只有百万分之一米的圆柱体，这个圆柱体就是碳纳米管。碳纳米管很稳定，而且具有良好的导热性和导电性。当然，让太空工程师们感到兴奋的，是碳纳米管的力学性质。碳纳米管虽然细小，其强度却是钛合金的50倍，理论极限值则更强。

碳是元素周期表中第6轻的元素，几乎没有自重。由于质量轻，所以碳的强度和稳定性都是独一无二的。目前碳纳米管的长度虽然有限，但如果人类能将这项技术放大10亿倍，或许就能把碳纳米管编织成一条能到达太空的碳缆绳。

另外，近年来，科学家还发现了一种叫作碳炔的物质，它是碳的同素异形体，强度甚至超过了目前作为碳纳米管基础的石墨烯。

2013年，国际宇航科学院（International Academy of Astronautics）发布了一份厚达350页的报告，报告内容为目前为止对太空电梯进行的最详细的设计研究。最适合用来制作太空电梯缆绳的材料仍然是个未知数，但这份报告设计了一种到2035年能携带多个20吨有效载荷的太空电梯。

太空电梯具有重大的战略意义，现代人，正在通过太空电梯来实现巴别塔的通天梦想。

太空之行还需要什么？

如果说太空天梯的使用是考虑到太空远行的巨大成本，那么，与之相适配的另一项重要技术，就是3D增材制造技术。

在前往火星执行任务的过程中，宇宙飞船的往返需要2～3年，这意味着，如果重要部件损毁，需要有备用配件可以及时替换。从统计学上讲，并不是每项重要部件都会出现损毀，但其中某一项出问题却几乎是不可避免的。过去，人们只能在太空之行前为所有重要系统带上备用部件。

这也就意味着，除了发射任务团队所需的各项功能性设备外，人们还需要发射一个配件储藏库，以便在航行过程中为维修提供帮助。这些航天部件大部分永远都用不到，但却仍需配备。随之而来的，就是航天任务的成本和复架程度均会因此显著提升，这也是这种备用部件供应方式存在的问题。

更多的备用部件意味着我们需要提供更多的存储空间，最重要的是，重量也随之变得更大。更大的重量自然需要额外的燃料，从而又使整个系统的重量进一步增加。目前，每千克火箭的发射成本为了3000~10 000 美元不等，也就是说，所有这些备用部件以及用于储存和发射它们所需的成本将会很高。

那么，如果不需要携带所有这些备用部件，而只需带上一台 3D打印机、原材料，以及所有备用部件的制造方案呢？那将会成就另一番更加便携且成本更低的太空之旅。这样一来，为储存备用部件而预留的负载重量便可大幅削减，要送入太空的 “物品”也相应减少，我们还将同时降低资金投入和不必要的复杂度。宇航员和航天任务的规划者也将因此获得更多灵活性。

3D增材制造已被NASA 视为开展长期太空探索的必要技术，他们在国际空间站上对增材制造系统进行了太空失重环境下的操作测试。此前，第一代太空级 3D 打印机己经在国际空间站完成了飞行和相关测试。

巧的是，对于太空的3D增材制造来说，它们需要用到和太空天梯相同或相近的材料——石墨烯。究其原因，从这种材料的强度、导电性能以及合理掺杂后形成的半导体性能，到尚待开发的如水过滤、发电和存储等更多奇特性能，利用了石墨烯的 3D 打印机必将开启无限可能性。

比如，利用大型的3D打印机，在月球或火星上建造出一片片居住聚居地。将当地的泥土或风化层与石墨烯结合后，可以让这些居住聚居地的建筑变得更加牢固，使居住聚居地在两大星球的恶劣环境中更具生存能力。还可以利用打印出来的嵌入式传感器，复制出星球的表面结构，对聚居地的内外环境进行监控。甚至就地制造关键性的生命维持系统，使人们能够适应任意着陆点的独特环境。

这样一来，科学家既不需要在地球上根据指定着陆点进行预先规划，使得探索范围受到极大限制，也不需要预先制造出足以适应任何环境的强大系统，在系统的质量和复杂程度上投入过多精力。在未来，人们只要在任何需要的时候设计和制造自己所需的生命支持系统。

太空生存已经成为可见的明天，如今，人们不仅成功登录太空中的许多星球，更是在空间站里进行了太空居住，但太空生存想要走向民间，还需要的是，降低巨大的成本和可能的风险。而显然，相较于国际空间站的成本来说，太空电梯的100亿～500亿美元的成本是非常低的——对于一个将发射成本降低到100美元/千克的工具而言，其发射成本只有地面上的火箭的1/20。

与太空生存带来的新经济活动相比，太空电梯和增材制造的成本显得微不足道，这也推动着科学家朝着更加便捷、效率的太空旅游更近一步。