太空電梯可能實現嗎？

上期節目結尾賣了一個遭到無數人強烈開火的關子，實際上答案根本難不住你們，已經有很多留言都寫出了正確答案。是的，想要廉價地進入太空，目前看來，最有希望的方案就是太空電梯。

說到太空電梯，我必須要提美國科幻黃金年代的三巨頭之一阿瑟·克拉克，他在 1979 年出版了一本科幻小說《天堂的噴泉》，這本小說第二年獲得雨果獎。我完整地閱讀過這本小說，說實話是硬著頭皮啃下來的，因為實在不太像是小說，倒像是一本工程師寫的操作指南，克拉克幾乎就是在用寫論文的方式完整地講述了如何從無到有建造一座太空電梯。我的天哪，我從來沒看過那本科幻小說能把工程細節描寫到這個程度的。在成名的科幻小說作家中，歷史上恐怕也只有阿瑟·克拉克能做到。

實際上阿瑟·克拉克雖然沒有正經的科學家或者工程師的頭銜，但是作為英國皇家空軍雷達技師出身的他，早在1945年就提出了利用地球同步軌道衛星構建全球通訊系統的構想，而且他真的不是說開個腦洞想想而已，而是認認真真地做了計算，提出了很多具體的實現方案。為此，國際天文學聯合會把地球同步衛星軌道命名為「克拉克軌道」。克拉克的這個設想今天早已經成真了。

我有充足的理由相信，未來如果有一天，人類真的建成了太空電梯，那麼一定會用阿瑟·克拉克的名字來命名整個工程或者某個部分，如果你對此表示懷疑的話，可以去買一本《天堂的噴泉》啃啃，只是要小心牙齒崩壞。

不過我必須要補充一點，最早正式提出太空電梯設想的其實是有火箭之父美譽的俄羅斯火箭專家齊奧爾科夫斯基在1895年就提出來了。所以，齊奧爾科夫斯基和克拉克都會成為未來太空電梯命名的有力候選者。

好，下面我就來為你講解在《迷人的技術》這本書中，作者魏納史密斯是如何講解太空電梯的原理以及實現路徑的。

太空電梯的原理真的很簡單，用最簡單的話來說，就是在地球同步軌道衛星上垂一根長長的繩子，一直垂到地面上。因為地球同步軌道衛星是與地球自轉同步的，所以理論上這根繩子與地面接觸的地點就是可以固定在地球赤道的某處的。這根繩子上如果再裝一個可以升降的電梯，那麼就可以慢慢地升到太空中了。

當然，這麼說有點過於簡化了，實際情況還要比這個稍微複雜點。地球同步軌道的高度是在地球赤道上空大約36000公裡，你想，一根長達36000公裡的繩子的質量無論如何都是很可觀的。所以，繩子加上同步衛星的共同質心就肯定會在同步軌道高度以下了，這樣就不能保證它們整體上和地球自轉保持同步了。

那要怎麼辦呢？其實也很簡單，就是把這根繩子繼續加長，一直延伸到衛星的上方，再連接一個巨大的配重物體，使得所有連在一起的物體的共同質心剛好落在地球同步軌道上，這樣問題就解決了。

如果你聽到這裡，還是沒怎麼太明白的話，我在本期文稿中附了一張示意圖，幫助你理解太空電梯的結構。

建造太空電梯有2個難點，第一個難點就是如何獲得最上面那個用來配重的物體。

目前，有三種常見的設想：

1. 捕獲一顆近地小行星

2. 將我們多年來留在太空中的大量垃圾聚積在一起

3. 將這根纜繩本身作為配重，拉的非常非常的長，以使它能完全以自身的質量來保持緊繃的狀態。

至於地表上的基站，最佳的方案就是在海上建設一座可移動的平臺，因為一座可移動的海上平臺既能避開惡劣的天氣，還可以調整纜繩的位置，以規避更高處的太空垃圾。

第二個難點，可能也是最困難的一個問題，估計你也猜到了，就是我們究竟該用什麼材料來製造這根纜繩呢？

為了讓你能理解製造這根纜繩的難度，我要先給你解釋一個單位：尤裡（Yuri），它是以太空電梯的另外一位重要提出者尤裡·阿特蘇塔諾夫的名字命名的。這個單位代表了材料的強度，也就是單位面積能夠承受的極限力與材料的密度之比。尤裡越大，則材料也就越不容易斷裂

經常被用來做眼鏡腿的鈦合金的強度大概是30萬尤裡，美國杜邦公司發明的超強材料凱夫拉的強度大約為250萬尤裡。而要成為太空電梯的纜繩，根據計算，它的強度應當介於3000萬到8000萬尤裡之間。凱夫拉的強度至少還差了10多倍。

現在看來，前景最為樂觀的候選材料名為碳納米管。它的結構是碳原子排列成形似一根吸管的分子，直徑小於頭髮絲。如果工藝完美的話，在理論上，碳納米管的強度能達到5000萬到6000萬尤裡的水平，可以用作太空電梯的纜繩。不過，這種材料的製造難度非常高，2013年，我國清華大學的魏飛教授團隊成功製造出了世界上最長的碳納米管，長度大約是半米，這項成就在線發表在了國際著名材料學期刊《美國化學納米》上。

好吧，現在能做出半米長的碳納米管就已經是世界紀錄了，而太空電梯需要的長度則至少超過 4 萬千米，距離是還很遠，但大家想想集成電路的發展吧，假如碳納米管也以摩爾定律的速度發展。那麼，從0.5米長到6.7萬千米只不過需要38年的時間，這真的不算太久。真正關鍵的問題在於是否存在著這種材料的需求市場，如果沒有商業需求，那麼這個行業就不會有發展動力。

不過，除了長度問題，還有一些其他技術問題有待解決。比如，碳納米管對電非常敏感，所以如果遭受到一次雷擊，那這根帶狀物便會大面積地碎裂。有一種解決這個問題的最直接辦法，太平洋上有一片從未有過雷擊記錄的區域，因此有人建議把太空電梯的基站放在那。但這種方案顯然不能讓大多數人安心。

當然，這個問題我相信最終也是難不倒科學家們的，給碳納米管加上絕緣保護的方案並不難設計。

對太空電梯還有一個威脅，就是太空垃圾。太空中有很多高速運動著的東西，即便能躲開大體積的東西，小東西或許也能對纜繩造成長期的磨損。美國航空航天局先進概念研究所的羅恩·特納博士說：「必須持續不斷地翻新這臺電梯的想法仍然是太空電梯最大的挑戰之一，而且在我的印象中，他們對這個挑戰始終沒有一種好的解決辦法。」

另外，這臺太空電梯也許會成為恐怖份子眼中絕佳的襲擊目標。我估計很多人會好奇，如果有人剪斷了一根通向太空的纜繩會發生什麼？

對這個問題的看法，目前還有一些分歧。全世界有好多個研究小組正在研究這個問題，他們模擬纜索在不同位置上被剪斷的後果，粗略地來說，後果大概會是這樣的：

無論從哪剪，這個切口以上的東西都會進入一條更高的軌道，而這個切口以下的東西則會墜向地球。

如果你在高處剪，那這根纜繩的大部分便會落向地面。在這個過程中，纜繩會受到重力和地球自轉的雙重影響，甚至還有可能和來自太陽的帶電粒子發生相互作用，從而產生一些極為複雜的後果。簡而言之，這根纜繩會開始猛烈地來回扭動，並在大氣中升溫，直至斷裂。因為纜繩材料的重量必須很輕，所以一小塊這樣的材料很可能不會傷及地面上的任何人。此外，如果這根纜繩被製成了像漁網那樣的結構，那麼傷人的風險就會更低。

但是，這根纜繩實在太長了，我們假設是從3萬公裡的地方剪斷的。那麼，在地球以上3萬公裡的高度上，會有許許多多的低軌道衛星，軌道最低的衛星只有150 - 300公裡左右。斷裂的纜繩會像一根鞭子或者長蛇一樣在太空中甩動，而有幾千顆衛星在這片太空中運行，弄不好就會打中其中的一顆，對這顆衛星來說，顯然是災難性的打擊。不過，損失一顆或者若干顆衛星，對於人類來說，也不算是什麼了不得的損失。太空中幾乎每天都有衛星在退役。

但是，我必須提醒你們，太空電梯這項工程絕不僅僅只是像美國的登月工程那樣是一次科技實力的展示，他會給人類社會帶來的巨變很有可能是遠超你的想像的。

如果太空電梯真的實現了，那就意味著我們能以大約每千克不到 500 美元，甚至更低的成本往太空中輸送貨物，人類與太空的關係將被永遠地改變。普通人進入太空觀光將成為可能，甚至可以建設太空中的定居點。但是，你可能沒有想到，太空中的任何一個人都可以輕易地對地面造成毀滅性的打擊。

在冷戰時期，有一個概念叫 「

上帝之杖」。大致說來，就是從太空中把一塊很重的金屬扔向一個敵對國家，這塊金屬到達地面時，與一顆核彈具有的破壞力是一樣大的。但是我們都知道，在空間站中，物體都出於失重狀態，你想把東西扔回地球不是不可能，而是需要有額外的動力給物體減速，才能讓它快速落回地球。因此，如果不是專門設計這樣的武器，一名國際空間站上的太空人是扔不出上帝之仗的。

但是，有了太空電梯就完全不同了。可能出乎你的意料，太空電梯在上升過程中的絕大多數時間，你都不會感到失重，你只會感到自己的重量在很緩慢地逐漸減少。中國的天宮二號空間站的軌道高度大約是300公裡左右，如果你乘坐太空電梯到達這個高度，你是不是會以為自己也像太空人一樣失重了，其實，你完全感覺不到自己失重，你會感受到跟在地面上差不了多少的重力。為什麼會這樣？那是因為，天宮號繞地球運行的速度要遠遠高於太空電梯，你在天宮號上失重的原因是你的重力剛好提供了向心力。天宮號上的失重本質上是你在做自由落體運動，只不過因為下落的同時還有一個水平方向的速度，使得你只會繞著地球轉圈，無法落回地面。

而太空電梯的繞地速度是恆定的24小時一圈，遠遠小於天宮二號的90分鐘一圈。所以，如果有人在太空電梯中朝外面扔出一塊金屬，這塊金屬就會像自由落體一樣落回地面，理論上每噸質量可以產生相當於2噸TNT炸藥的爆炸當量，這個威力雖然比小型核彈還差一點，但也足夠恐怖了。假如乘坐太空電梯觀光與到上海的環球金融中心頂樓觀光一樣容易的話，很難保證不被恐怖分子或者某些心理失常的人利用。他們把自己的身體作為一顆超級炮彈也是有可能的。

另一種可怕的可能是大國的野心。如果人類獲得了通往太空的廉價方式，很難想像所有的國家依然會遵守現在的國際公約，把太空當作是全人類共有的空間。太空電梯的建成很可能意味著一場政治紛爭如疾風驟雨般呼嘯而至。一個國家如果率先擁有了進入太空的廉價方式，它將獲得巨大的太空優勢。這種優勢可以來自於軍事威脅上，拋開我前面說的隨便仍一個金屬塊就能毀掉一個小城市不說，如果改用大型雷射武器，那麼在太空中可以極為精準地打擊地面上的目標。除了軍事上的優勢，在其他領域，例如通信、太陽能採集等，都將獲得巨大的優勢。所以，我很難想像，世界上會有哪一個國家真的能獨自擁有一架太空電梯。但是，另我感到非常驚訝的是，我在查閱與太空電梯有關的資料時，竟然發現 2012年2月：日本大林建設公司宣布以100億美元建設太空電梯，時速200公裡，單程需7天，預計2050年落成。當然，我估計全世界大概都沒有太空多少人把這事當真，可能覺得比馬斯克宣布2030年要把人類送上火星瘋狂多了。

如果大家願意在網上搜索一下有關太空電梯的資料，你會發現有非常多嚴肅的討論。比如，我在論文檢索網站Science Direct上用關鍵詞「Space elevator」檢索，有超過30篇論文標題中含有這個關鍵詞。

《迷人的技術》這本書中也提到，在一項對太空電梯的典型提議中，攀升器每天能將1.8萬千克的貨物升入軌道一次。國際空間站的質量大約有40萬千克，這意味著即使電梯操控員周末休息，我們也能每個月發射一座巨大的空間站。費用大概總共是50億美元的樣子。廉價的發射也將促使人造衛星系統被極大地改進，這應該意味著更好的通信方法和更精準的全球定位系統。或許還可以改善全球性的氣候變化。科學家曾預測或許雲量只要多出幾個百分點，便能完全抵消掉全球變暖的趨勢。阻止全球變暖的一種人工方式是發射一面巨大的屏障來阻擋部分入射陽光。有一天，你可能會抬頭望向一塊漂浮在天空中令人倍感親切的深色遮板，它保護著你，使你免受災難。

太空電梯的前景是非常誘人的，僅僅是太空旅遊這一項需求就擁有不可估量的商業價值。你過去可能時不時地就會聽到新聞中播報哪位富豪又花了幾千萬美元搭乘俄羅斯的聯盟號飛船到太空一遊。但我可以明確地告訴你，搭乘火箭去太空絕對不是一次很愜意的旅行。在起飛的時候要承受巨大的加速度，而且絕大多數的人會在零重力下吐得一塌糊塗，哪怕是訓練有素的太空人，所以，你可能不知道，在國際空間站，到處都有嘔吐袋。這是因為我們在漫長的演化過程中，從未經歷過長時間的失重狀態，所以，我們的胃不習慣食物四處漂浮，而我們的平衡感也不習慣一個每次後傾便開始翻滾的世界。

但是，搭乘太空電梯進行太空旅遊，將會是一次很不錯的體驗。首先，在太空電梯中，我們不必承受過大的重力加速度。而且這趟旅程完全沒必要升到同步軌道的高度，那樣的花的時間也太長，只要升到國際空間站的高度或者更高一點，然後就可以觀光並返回了。在這個過程中，我們幾乎感覺不到失重。當然，你也有可能就是為了體驗一下失重才去太空旅遊。這也很好辦，只要讓電梯在返回的時候做自由落體運動，失重感立刻就來，並且可以靈活控制失重的時間，讓人們既能體驗失重，又不至於時間過長而吐的一塌糊塗。

太空電梯這些誘人的前景必然會激勵人們朝著這個方向努力，不論是出於大國政治還是商業價值，都能找到投入研發資金的理由。

但是，也請各位聽眾記住，今天這期節目絕不意味著太空電梯是一個在近未來能夠實現的夢想，實際上，在我的有生之年我都不抱幻想。但在考慮了那麼多種進入太空的方式後，我不得不承認，只有太空電梯這個方案能實現真正意義上的廉價進入太空。也只有這個方案，才能使得人類有可能建設巨大的太空定居點或者太空飛船，而這兩樣東西是人類離開地球搖籃，進入更深遠宇宙空間所必需的。基於這個邏輯，又使我堅信，太空電梯的落成必將成為人類文明史上不可避免的一次裡程碑式事件。

好了，關於未來預測的第一項，如何廉價進入太空的幻想就給你全部講完了。下一期我將跟你聊聊開採小行星的可能性。