春节期间,《流浪地球2》热映,片中层出不穷的“硬科技”让人大开眼界。特别是连天接地的太空电梯,其运行场景令人震撼。如果从科幻回归科学,人类真能像电影中描绘的那样,坐电梯轻松抵达太空吗?
太空电梯: 神奇“通天塔”
“女士们,先生们,欢迎搭乘太空电梯,我们第一站将抵达月球平台……”这听起来虽然很科幻,但某一天或许真的会变成现实,因为太空电梯并不仅仅是单纯的科幻想象,也是一个理论上可行的技术方向。
在2022空间技术和平利用(健康)国际研讨会上,国际太空电梯联盟主席斯旺就提出,未来太空电梯作为永久性物流基础设施,可运送物资和人员,成为进入太空的新通道。现在已有不少科学家认为,本世纪内,太空电梯有可能梦想成真。
太空电梯的原理并不复杂,与普通电梯十分相似。只需在地球同步轨道上建造一个空间站,并用某种足够长、足够结实的“绳索”将其与地面相连,在引力和向心加速度的相互作用下,绳索会绷紧,宇航员、乘客及货物可通过升降舱,沿绳索直入太空,可谓名副其实的“通天塔”。整条缆绳全长约10万公里,相当于地球到月球距离的约1/4。
太空电梯的想法,最早由世界航天之父——俄罗斯科学家齐奥尔科夫斯基于1895年提出。当时,他从巴黎埃菲尔铁塔得到灵感,提议在地球静止轨道上,建一个太空城堡,用一根缆绳将地面与城堡相连,以实现太空运输。不过,当时看起来简直是天方夜谭,甚至有人嘲讽他不如“改行去写科幻小说”。
1979年,英国作家阿瑟·克拉克将太空电梯写入科幻小说《天堂的喷泉》。在刘慈欣的作品《三体》中,也有不少关于太空电梯的描述。
“天梯”主要 由五部分组成
根据科学家们的设想,太空电梯主体由五部分构成:地面基座、缆绳、电梯舱、太空站和重量平衡器。
在《流浪地球2》中,太空电梯基座是一座位于加蓬的巨大路基设施。不少人认为,海上移动基地的基座方案更具有可行性,可移动站点,能有效规避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。
轨道站点(太空站)位于最顶端,作为配重来平衡太空电梯自身重力,使其重心位于地球同步轨道,也即赤道上空35786公里处。
太空电梯是一个庞大的系统,它能稳定存在的原因,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。
坐太空电梯,14天可到月球61天到火星
2019年,国际宇航科学院发布名为《太空电梯时代之路》的研究报告,指出太空电梯似乎的确可行。
近些年,这个曾被视为科学幻想的革命性工程有了较大进展,并有了多种方案。其中,美国电梯港集团公司声称,他们正在研制的太空电梯,可一次运送30名乘客,6小时内抵达10万千米外的太空。毫无疑问,太空电梯一旦建成,目前地球上运程最长、达800多米的迪拜塔电梯将被远远甩入尘埃。
相比火箭运输,太空电梯用太阳能驱动,不像发射火箭那样消耗大量化学燃料,因此更环保、成本更低、重复使用率更高,也被称为“绿色天路”。
据国际宇航科学院报告统计:一旦太空电梯建立,携带负载进入太空的成本,可由每公斤20000美元下降至500美元。这主要是因为化学火箭的燃料占80%的空间,14%为主要结构,只有6%可以载人,发射以及回收成本高昂。
相比之下,利用太空电梯运输则廉价得多,由于太空电梯可凭系缆向太空前进,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。
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,很难满足漫长的旅程。目前已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。
加拿大托特技术公司也估算过,太空电梯应用后,航天飞机的太空飞行成本能节省大约三分之一,大大提高人类造访太空的频率。
国际太空电梯联盟主席斯旺认为,未来人类建火星村、月球村,需要发射大量物资到太空,星际旅行也备受期待。太空电梯巨大的运力,将来甚至可以帮助在轨道上建造各种巨型太空设施,如太空电站、太空工厂、太空城市等。
不过,火箭发射也不会因此被抛弃。火箭比太空电梯速度更快,能迅速穿越辐射带,有人提出以“太空电梯+火箭”的方式运输,实现互补。如果把太空电梯看作货船,那么火箭就是货运飞机。
斯旺表示,根据目前设计,太空电梯轿厢重约20吨,攀爬速度约为每小时200公里。未来,随着缆绳加长、轿厢攀爬速度加快,预计8天可到达地球同步轨道,14天可到达月球,61天可到达火星。
最大技术瓶颈在电梯缆绳上
那么,目前建造太空电梯的技术难点有哪些?
“最核心的问题是要找到合适的材料用作电梯缆绳。”长期研究新型材料的中国科学技术大学副研究员管庆方认为,“太空电梯”代表着人类对材料极限性能的追求。
一根合格的太空电梯缆绳,需要具备如下能力:首先强度足够大,其次要考虑材料在极端条件下的服役性能。
在2022年国家宇航大会上,曾提出太空电梯系缆材料的备选方案,包括碳纳米管、单晶石墨烯和单晶六方碳化硼,这些材料虽然在理论上可行,但生产出长达上万公里的纳米材料难度很大。
一根普通钢丝,从9公里高空中垂下来,会被自重所拉断。好在碳纳米管的发现,让人们又重燃希望。细小且强度可与金刚石媲美的碳纳米管,柔韧性极佳,并且可制成纤维。
据测算,一根宽1米、薄如纸的纳米管缆带,就能支撑13吨重量。2014年9月,美国科学家称:他们研发出超细、超坚固的纳米线,比之前发现的碳纳米管更坚固和牢靠,“可用于制造超级坚固的轻型绳索,让打造太空电梯的梦想成为现实。”
2018年,清华大学研究团队研发出一种高强度纤维,仅1立方厘米、用碳纳米管制成的纤维,就能承受160头大象(超过800吨)重量且不会断裂,而这根缆绳仅重1.6克。
2021年,中国科大俞书宏院士团队研制出仿生超弹性碳材料“碳弹簧”,可在-100°C到350°C的极端环境下发挥作用,使其应用到外太空探测任务中成为可能。
正是近年来一些尖端科技连续取得重大突破,原本只是在科学与科幻之间闪转腾挪的太空电梯,开始被科学家带入工程设计蓝图。
1999年,美国国家航空航天局的马歇尔研究中心发表题为《太空电梯,太空的先进基础设施》报告,对太空电梯的可行性进行详细论证,这是“太空电梯”首次获得官方认可。
2050年至2100年有望投入运营
研制太空电梯最大的挑战,是能否以低成本、大规模生产出碳纳米管纤维材料,这种材料现在还只是米级制品,距实用差距甚远。尽管如此,各国科学家并没有放弃太空电梯的研制。
全国空间探测技术首席科学传播专家庞之浩介绍,俄罗斯拟在月球表面建立永久性基地,然后用太空电梯将货物运至月球基地或运回地球。美国西雅图高电梯系统公司的太空电梯项目正在进行技术研发,核心是研制一条距地球表面近10万千米长的缆绳。
日本大林建设公司计划在2050年建成太空电梯,该电梯由6个长18米、直径7.2米的椭圆柱形电梯吊箱组成,时速约200千米,每次可运送30位旅客……
不过,目前还有很多技术难题有待解答:太空电梯轿厢选择何种驱动模式?怎么克服重力影响?缆绳如何承受高能宇宙射线轰击并有效抗摆动?电梯遭遇太空碎片和陨石冲击怎么办?太空电梯一端需要“系”在地球同步轨道上,另一端需要在地球赤道附近架设基站,应如何选址?在搭乘电梯奔向太空时,会穿过地球外层的高强度辐射带,如何保护乘客不受伤害?
不过,虽然技术上还存在相当多的难题,但人类毕竟已经在运载火箭之外,开拓了另外一条连接太空与地球的思路。根据目前科技水平和发展速度,有科学家预测,太空电梯将在2050年至2100年投入业务运营。
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