太空電梯給航天活動帶來的收益是充滿了誘惑的，人類將來從地球靜止軌道起飛進入深空，或將帶來未來航天模式的改變。
▲圖/新京報網
文 | 孫正凡
日前有媒體報導，日本靜岡大學工學部的科研團隊與日本建設公司大林組合作開發了迷你版太空電梯，將視天氣情況在本月進行實驗。
負責研發的日本靜岡大學教授能見公博表示，實驗在國際空間站進行，研究人員將用一段10米長的鋼製纜繩，連接2顆邊長為10釐米的小型立方體衛星，以此測試太空電梯模型的可行性。
作為一種低成本進入太空的方式，美國、日本、俄羅斯等各國的科學家都對太空電梯充滿了興趣，日本是最積極的國家之一，10年前就組建了「日本太空電梯協會」。
太空電梯概念早已有之
太空電梯的概念最初出現在1895年，由「航天之父」俄國科學家康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基提出。它的底端位於地面或平流層之上，頂部直達外太空，所以又名「天梯」。
▲圖/騰訊科學
由於它與地球保持相對靜止，從而可以用電梯把物品和人運送到太空。與這個概念緊密聯繫的是地球靜止軌道，也即在地球赤道上空大約35786 千米的高度上，衛星受到的地球引力和它繞地球自轉所需要的向心力恰好相等，從而在這個軌道上的衛星，在我們地面看來是保持靜止不動的。如今我們轉播電視節目的衛星，就位於這個軌道。
為了能夠把太空電梯拉住，需要在地球靜止軌道之上放置一個比較重的平衡錘，從而使整體重心保持在靜止軌道。就像我們日常乘坐的電梯一樣，太空電梯也需要又長又結實的纜繩，纜繩所需要的強度是鋼材的上百倍。由於長達36000千米的普通纜繩無法承受自身重量，所以只能考慮用納米材料來製作，目前最看好的是碳納米管。
太空電梯最下方的平臺，由於氣候影響，可能不方便設置在地面上，而考慮在平流層之上設計基地。由於近地面平臺只能設置在赤道附近，屆時那些如今人跡罕至的赤道區域將成為航天大國爭搶的「熱地」。當然除了地面氣候影響，太空電梯還必須考慮來自太空隕石、太陽風暴等情形的威脅，保證自身和貨艙、乘客的安全。
技術障礙制約太空電梯商業化
進入太空一直是人類的夢想，正如齊奧爾科夫斯基的名言「地球是人類的搖籃，但人類不可能永遠被束縛在搖籃裡。它首先小心地探索大氣層的邊緣，然後將把控制和幹預能力擴展到整個太陽系。」
不過，航天技術的進展在近幾十年來一直不盡如人意，自從1969年實現載人登月以來，載人航天活動一直在近地空間徘徊，國際空間站的高度不過360公裡。
制約航天活動的困難之一是化學燃料的低效率和昂貴的發射活動成本，比如埃隆馬斯克的SpaceX公司進行的火箭回收實驗，就是為了降低發射成本。化學燃料對地球環境的汙染也相當大。這些成本大多是由於我們為了衝破地球大氣層和近地引力所付出的。
▲SpaceX公司成功發射新型火箭Falcon 9 FT，並在發射10分鐘後回收一級火箭。 圖/新華社
如果太空電梯能夠實現，改用電力提升貨艙，直接上升至36000千米地球靜止軌道之上，也就是如今國際空間站高度的100倍，地球半徑的6倍，航天活動的效率和成本將會大大降低。別忘了，這時所需的電力可以從太空裡直接獲得太陽能發電。在這個高度上，太陽能電池板可以幾乎24小時工作。
當然，正如日本大林公司團隊的估計，要到2050年才可能實現太空電梯的商業運作，太空電梯面臨的困難也是可想而知的。建造一部現實的空間電梯成本約100億美元，對於充滿希望的航天工程來說，成本並不高，但它涉及的幾乎每一項技術都還是未知數。實際上，Google X在2014年就承認，它支持的一項太空電梯研究計劃已經廢止。
比如，作為電梯最主要結構的纜繩——雖然在目前的設想中，碳納米管的強度能夠承擔這個工作，但如何生產長達36000千米的碳納米管纜繩還完全沒有頭緒，目前碳納米管生產技術仍然停留米量級。
根據目前的設想，太空電梯從近地面出發，要用8天抵達地球同步軌道。這就意味著在航程中風險係數不小。比如，對航天活動最大的威脅之一是太陽風暴，其爆發活動噴射的高能帶電粒子流，會強烈幹擾地球電磁環境，高能輻射還會影響航天員的健康。
太陽噴發出物質之後，太陽風會在1到4天後抵達地球，而目前我們的太陽物理學還不能對太陽噴發活動做出提前預報。太空電梯只能保持在固定位置，無法靈活移動，如何保證太空電梯和乘客的安全，這將需要包括天文學家在內的更多科學家協作。
一旦夢圓，赤道將成「熱土」
儘管面臨著未知的研發成本、技術突破時限、安全風險等諸多問題，但太空電梯給航天活動帶來的收益是充滿了誘惑的，人類將來從地球靜止軌道起飛進入深空，或將帶來未來航天模式的改變。
未知太空的奧秘一直在召喚著勇敢的人類，日本的這項迷你太空電梯實驗至少讓我們知道，地球上一些最聰明、最富有想像力的人在努力挑戰極限，探索未來之路。30年後，也許這將成為人類社會的熱點，赤道也將成為名副其實的「熱土」。
□孫正凡（科普作家）