大膽到令人髮指的太空電梯 人類能製造出來嗎？

隨著人類的冒險之旅逐漸延伸到太空中，就有了把我們所需的物資送入太空的挑戰。長期使用火箭是不切實際的，火箭可怕的燃料需求量讓旅程變的昂貴。並且作為一次性的運輸工具火箭很不「環保」。那麼，最理想的答案就是太空電梯——一個巨大的「傑克和魔豆」似的建築物——連接太空與大地。

然而建造太空電梯所要面對很多目前仍無法解決的問題：技術難題、後勤保障不足、政治交流障礙等等，都使得太空電梯計劃更加遙遙無期。

Kenn Brown提出的太空電梯設想圖

太空電梯的設想由此而來：建造一條從地球表面延伸到地球同步軌道長達22000英里（35400公里）的電纜。一旦架設穩定，激光碟機動的纜車將登上電梯，把貨物運送進太空。

不得不說這是一個驚艷的設計方案。但一些專家學者也指出了其中一些必須要解決的難題。

難題#1：現有材料的強度不夠

這是最大的一個問題，也是一個無法跳過的問題。

Keith Henson ,一位研究太空殖民和相關航天工程近40年科學家、工程師，同時也是美國國家空間協會的創始人之一，在早前一次訪談時他表示並不看好太空電梯計劃。

「就已知的導電材料而言，沒有足夠的抗拉強度和足夠小的密度。目前暫時還不存在能滿足這些條件的材料，納米碳管也不行。」事實上，納米碳管是最有可能成就太空電梯的材料。毋庸置疑納米碳管是一種已經被近乎神化的材料。納米碳管中由碳原子之間形成的sp2鍵賦予其卓越的強度和硬度。但能用於實際的材料強度只有理論值的2/3，同時當碳碳鍵被裝載到這樣一個極端的程度時，納米碳管中的六角鍵就會轉變成不穩定的5至7角鍵。這是一個巨大的安全隱患。（這可不如絲襪跳線那麼平常普通。）

一個很大的憂慮是，當應變很大時，納米碳管建造的電纜可能會崩潰。根據一些初步建立的模型，電纜將承受的應變能大於十萬kN/（kg/cm3）。這需要材料有非常大的比強度（拉伸強度/密度）。而有學者認為，即使使用納米技術也製造不出這樣的高強材料——最起碼現在的技術水平還不允許。氮化硼也是一個呼聲很高的候選者，但目前沒有人能做出碳納米管氮化硼材料，所以它僅僅是理論上看似能做出的材料。

當然，也有學者不認同以上觀點。Bradley Edwards，前洛斯阿拉莫斯國家實驗室的物理學家，根據他已經開展的太空電梯的相關研究證實：納米碳管完全可以勝任太空纜繩。

「納米碳管的發現使得太空電梯從科幻作品向現實使用邁了一大步 。」納米碳管密度只有水的30%，強度卻是鋼的32倍。由此納米碳管擁有1000公里的理論斷裂長度。

納米碳管是一種微觀結構的物質：單管的抗拉強度高達120GPA，但理論上可以達到300GPA。Bradley Edwards認為：「安全的軌道系統抗拉強度至少為130GPA。」但是怎麼才能製造出10萬公里長的納米碳管？尚無人掌握此項技術，至少目前沒有。當下能製造出的的納米碳管只有幾英寸長、幾納米寬。假設這種材料能承受如此巨大的載重拉力，但在有工程師能將納米碳管長度擴展到幾千公里之前，太空電梯計劃仍舊只是一個高度概念化的設想或者一個缺乏說服力的概念。

難題#2：易受到危險振動的影響

這個難題是：基電纜的運動，和纜繩的鞭甩可能帶來的振動。捷克科學院、天文文研究所的Lubos Perek警告說：「來自月球和太陽引力的拖拽以及太陽風的壓力將搖動電纜。這些未知潛在的劇烈運動可能使電纜轉向衛星軌道或者太空垃圾（另外一個難題馬上會提到）。」

而無論是作為地球同步軌道衛星（CEO）的初始階段，還是在被稱之為「吊繩」的運動階段。缺乏抗彎曲性和彎曲性都會對電梯的穩定性產生深遠影響。

一個補救辦法是安裝推進器，連接到電纜的推進器可以抵消所產生的振動。但這也可能會是另一個「難題」。

事實證明電纜需要推進器。而由此也會帶來巨大的挑戰：每隔一定距離在在電纜上安裝推進器所附帶的推進器加油、升降平台如何繞過他們以及其他物流都給電梯維護帶來了巨大的麻煩。同樣的曾在2003年為NASA撰寫過詳細太空電梯計劃概念研究的Bradley Edwards也不贊同繫繩安裝推進器的想法，同時指出這樣做使得攀登平台功能硬體操作過於複雜。

最後，諧波振動可能造成另一個問題（電纜具有固有的共振頻率）。如果由攀登平台造成的振動動能能量超過最大限度，那麼必須增加一個潤滑系統來補償。這使得整個系統變得越來越笨重，設計方案也會變得更複雜。

難題#3：纜車會引起更多的擺動

纜車自身帶來了一個問題：搖晃。由於科里奧力（簡稱：科氏力）從而影響旋轉系統中的對象——纜車和電纜被強制向地球自轉方向反方向運動。

根據加拿大蒙特利爾麥吉爾大學的機械工程師 Arun Misra和Stephen Cohen的說法，在MAD空間，科氏力會拉動電纜遠離其垂直靜止位置，導致它像鐘擺一樣來回擺動。這樣的結果是：即使由很小的擺動也會引起偏差，從而致使在最終點和預定軌道相去甚遠。電纜的擺動也會使纜車運行的速度忽高忽低。工程師解釋：「這可能導致纜車水平偏離軌道幾十或者幾千米，在垂直軌道上過高或過低。」

解決辦法：讓升降平台像一群精心編排的爬蟲一樣以及其緩慢的速度上升。事實上，科學家預計一趟旅程將耗時一個月時間。

難題#4：衛星和太空垃圾

還要考慮到軌道上的障礙。即使以上問題均得以解決，還有一個另外的問題需要處理——太空垃圾和有源衛星。 「你必須找到這些障礙，並一一清理，除非你在所有的衛星上安裝了規避系統，當然地球軌道同步衛星除外。」太空垃圾以及衛星和電纜的碰撞不可避免，這些碰撞所產生的衝擊足夠把纜車撞個粉碎。「給衛星設置規避功能很容易，」他說，「但必須要在一定期限內清理所有的太空垃圾，因為他們的軌道是不可控的而且電纜是不能左右移動的。但是垃圾足足有6000多噸。」

Henson認為在太空建立起一個巨大的激光發射器能有效清理所有的太空垃圾。「如果要在宇宙中建立起一個激光發射器就要消耗更多的資源，這樣還不如繼續使用氫火箭並提高它的運載能力來取代太空電梯。」他補充說道。

難題#5：社會和環境的風險

也有非技術方面的難題。從設計到建造出太空電梯將不可避免的面臨諸多挑戰。例如：太空電梯可能會成為恐怖襲擊的目標；一個微小的操作失誤將給電梯造成巨大的傷害並帶來巨額的維修費用。因此每個電梯不得不串聯運行全天候監控的防禦措施。

環保主義者也可能會因為太空電梯帶來的某些後果而反對建造太空電梯。「如果輸出的物質比輸入的多，」Henson說「那麼會影響到地球中心與電纜鉚釘點之間的剛性。」因此電纜在空中斜靠著地球，拖拽向地面。這種狀態會使地球自轉減慢。這可能又會給某環保組織落下口舌：樹立一個「我們要保護角動量的」之類的競選議題。當然這Henson這麼說只是半開玩笑。雖然太空電梯對地球角動量影響不超過幾納秒，但是他很擔心有人會藉機大做文章。

其他的問題

上述列出的五個問題是迫切需要解決的，但他們並不是唯一麻煩，其他問題包括：

流星和隕石。

（材料）腐蝕。

輻射和電離。

經過范艾倫輻射帶（對人類非友好的危險輻射帶）的路程。

不過，太空電梯或許可以在月球工作

如今，所有的一切都顯示出：太空電梯概念不應該被排除——就算地球上用不了。或許月球可以一試。

「事實證明，雖然太空電梯對地球意義不大，但對於月球來說情況完全不同。」Henson表示。月亮的自傳不夠快，所以可以建立一種不同類型的電梯，這種電梯的頂端鉚釘在地球的重力場中。在這種情況下，電纜在月亮運行通過 拉格朗日點時，可以從它那裡下垂到地球重力場中，並在其頂端形成一個巨大的平衡立場。

然而，如果每天運輸1000噸貨物離開月球表面將至少需要100,000噸重的電梯系統來完成。這意味著電梯用在自己回傳中的時間只有一百天，或者說每年運輸自身重量三到四倍的貨物——這是一個高額的回報率。至於建造做需要的材料，這在月球上完全不是問題。因為不需要納米管和強度很高的材料。但建設材料強度越高運輸量也就越大。」他說。

Henson設想了一種構造，在這種構造中電纜的死循環從月球的表面和背面開始運行。「然後有效的負載和一個15兆瓦的發電廠將每天輸送1000噸貨物。整個電纜長度將達到19000千米，因為已經證實這個距離剛好達到霍曼轉移軌道的的頂端。」

不用多說，在月球上太空電梯建造太空電梯有巨大的意義，但仍然沒有解決地球上所面臨的負載問題。

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