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乘天梯去“太空一日遊”? 這個夢或許不再遙不可及
2017-04-10 07:44:57 來源: 羊城晚報
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  希臘神話中曾提到一架夢想中的梯子——雅各布天梯,它將人們從地面到天空的道路打通,據説雅各布就是在夢中沿著這架梯子上天取得了“聖火”。

  我國古代有一個關于“昆侖天梯”的神話:傳説在高峻巍峨的昆侖山頂峰上,有一株大樹叫作建木。這株樹紫褐色的樹幹筆直地插向藍天,在樹頂上伸出無數枝條,向四周伸展,並長著萬年常青的綠葉,開著千載不謝的花,結著永不枯落的金果。誰要是能沿著這棵大樹攀登到頂,就能進入天庭,得道成仙。

  2015年大熱的科幻小説《三體》也曾多次提及“太空電梯”。

  人類對外太空的向往,從古至今都有“執念”,一直設想著搭建“天梯”的種種可能。但經過上百年的開發與研究,這個夢想至今仍未能實現。不過,近年隨著新材料科學的發展,“天梯”終于開始一步步走進現實。

  運輸成本將縮減 可由每公斤2萬美元降至500美元

  最早真正從實際操作的可能性出發提出“天梯”概念的人,應該還是俄羅斯火箭專家齊奧爾科夫斯基。他從巴黎的埃菲爾鐵塔得到靈感,在1895年時大膽地提出,可以在環地球的一個靜止軌道上建設一個“太空城堡”,把城堡和地球表面用一根纜繩連接起來,就可以成為一架“天梯”。所謂“環地球的靜止軌道”,其實就是從地球發射的航天器在環繞地球運行時,剛好與地球的自轉同步,于是它的運行軌道就形成一個與地面相對靜止的軌道。從地面上看,該航天器就像固定在地球上空某個位置一動不動。

  在當時,齊奧爾科夫斯基的想法只能是個設想,無法付諸實踐。

  但齊奧爾科夫斯基的想法吸引了無數科學家的目光,英國倫敦大學學院高度、空間和極端環境醫學中心創始人凱文·方曾在接受英國廣播公司(BBC)的採訪時説:“我能理解人們為什麼被太空電梯的概念吸引。如果我們能以廉價和安全的方式進入太空,整個太陽係都將會成為我們的囊中之物。”

  的確,據國際宇航科學院(IAA)報告統計:一旦太空電梯建立,負載進入太空的成本可由每公斤20000美元下降至500美元。這主要是因為,目前的運載火箭上,燃料需佔80%的空間,14%的空間為火箭主要結構,其實只有6%可以載人與貨物,而且火箭的發射以及回收成本都相當高。

  加拿大的托特技術公司也估算過,太空電梯如果能得以應用,航天飛機的太空飛行成本能節省大約三分之一,同時還能大大地提高人類造訪太空的頻率。

  為此,目前全球已有數個“天梯”項目正在積極進行中。

  建造材料仍高昂 一架“天梯”恐耗資70億-100億美元

  1991年,日本研究員意外地發現一種新型材料碳納米管。它具有拉伸強度高、抗形變力強等極佳的力學性能,強度可達到鋼鐵的100倍以上,同時它的重量又很輕,同等體積的碳納米管只有鋼鐵的幾百分之一甚至幾千分之一,直徑1毫米的碳納米繩便可以承載60噸的重量,因此它迅速被科學家們公認為是“制作天梯的最理想材料”。然而這種材料非常昂貴,每克已價值500美元。而“天梯”的規模顯然將遠遠超出人類目前能夠建造的任何一種大型建築或工業器件,使用的材料的規模也會極大。那麼,就算材料質量已不成問題,一架“天梯”的造價也將非常驚人。

  1999年,受美國國家航空航天局(NASA)資助,洛斯阿拉莫斯國家實驗所的布拉德利·愛德華茲博士制訂出“使用新型碳材料制造太空電梯”的方案,並發布了“用碳納米管材料制作太空電梯”的可行性報告。他指出,一架這樣的“天梯”成本應為70億-100億美元,這仍然會遠遠低于那些大型的太空項目。

  2005年3月23日,NASA宣布太空電梯已成為“世紀挑戰”的首選項目,至今每年都會舉行“機器人攀爬纜繩”和“測試纜繩強度”這兩項賽事來檢驗實驗成果。

  但2014年,Google X的快速評估研發團隊發現,目前還沒有人制造出超過一米的完美的碳納米管鏈。而保守估計,搭好一架“天梯”需要上百萬噸的納米材料,長度達到3.6萬米以上;不過同年9月,美國科學家約翰·巴丁又在《自然材料》上發表文章稱:他們研發出超細、超堅固的納米線,比之前發現的碳納米管更堅固更牢靠,可以用于制造超級堅固的輕型繩索來搭建太空電梯。于是,“天梯”的項目很快又一次引起美國NASA與歐洲航天局(ESA)等研究機構的重視。

  新材料性能優異 1毫米直徑細絲能吊450公斤重量

  值得一提的是,在此進程中,還出現了另一種“天梯”搭建材料——“柴隆”纖維。

  在20世紀80年代,美國為發展航天航空事業而開發了一種復合材料用的增強纖維,化學成分叫作聚對苯撐苯並雙噁唑(PBO)。它具有十分優異的力學性能和物化性能,目前已經普遍應用于防彈衣制造中。這種超輕纖維所做的1毫米直徑的細絲就能吊起450公斤的重量,從力學、耐熱、阻燃性能等各方面來看,它都具備了用來打造“天梯”纜繩的條件。相比于碳納米繩,它在原料價格和加工成本上也低得多。所以,當日本東洋紡公司于2004年實現了PBO纖維的工業化生産,並將它命名為“柴隆”後,它也被納入了科學家們打造“天梯”的計劃中。

  然而“柴隆”纖維有一個致命弱點——它降解得太快。而“天梯”的纜繩顯然不像很多電梯的簡單部件那樣,可以在失效之前隨時更換。

  看看各國科學家們的實踐

  不妨設想一下,如果“天梯”真的按計劃搭建成功,我們甚至可以在一日之內往返于地球表面與離地表至少10萬公裏的外太空,完成“太空一日遊”。如果不算搭建成本,這一趟往返成本可能比我們現在乘坐一次長途客運飛機還要便宜。那時人類文明將進入一個全新的“太空時代”,或許這也是科學家們積極研發“天梯”的動力之一吧。

  美國的“月亮天梯”

  至少需5萬公裏長纜繩,一次可運送30名乘客

  據美國《今日宇宙》2011年7月26日報道,美國企業家邁克爾·萊恩在2003年成立了LiftPort公司,投入巨資研究從地球通往太空的“天梯”。目前他們的工作重心便是搭建從月亮到地球的“月亮天梯”。萊恩甚至宣稱:“在5年到10年內,我們將實現‘月球天梯’的夢想。”

  其設想是這樣的:用一條長長的纜繩,一端固定在地球上,另一端固定在與地球同步軌道的平衡飛行器上;而在地球和月球之間,存在若幹“拉格朗日點”,利用它們與地球和月球的相對位置是基本不變的這一特點,再從月球上固定長長的纜繩,與這些點連接;在引力和向心加速度的相互作用下,這些纜繩都將被繃緊,成為可以運輸的路線,電梯梯廂(或者可叫作太空輕軌車)可以利用太陽能或激光能沿纜繩上下運動;人們在地球上的登梯點上天梯,在到達與地球同步軌道的平衡飛行器上後,經過轉乘,登上直達月球的電梯,就能順利到達月球了。

  月球天梯至少需要長達5萬公裏的纜繩。而在正常情況下,太空梯可以一次運送30名乘客,在6個小時內就能抵達10萬公裏外的太空。如果搭建成功,每磅貨物運輸成本不過數百美元。這一計劃也受到了美國宇航局的高度重視。

  日本的“太空電梯”

  預計于2050年完成項目,纜線約有9.6萬公裏長

  日本大林建設公司2012年首次提出“天梯”計劃,聲稱能在2025年開始建造一架太空電梯,預計在2050年便能完成一個完整的建造項目,他們設計的太空電梯纜線全長將為地球到月球距離的1/4,約有9.6萬公裏。設計者稱,該“天梯”的梯廂可乘坐30人,如果以每小時200公裏的速度運行,升到3.6萬公裏的高空要花去7天時間。對比之下,同樣的距離,一架太空飛船只要一個多小時就走完了。

  加拿大的“塔狀天梯”

  具有獨立塔狀結構,比迪拜塔還要高出20倍

  目前地球上運程最長的迪拜哈利法塔電梯已長達800多米。而2015年8月,英國《每日郵報》報道稱,加拿大的托特公司正在計劃建造一個高度約兩萬米的“塔狀天梯”。該公司已獲得一項美國專利權,用于建造獨立塔狀結構,可從地球表面向空中延伸至萬米。如果真的建成,這個太空塔的高度將成為“全世界上最高建築物”,比迪拜塔還要高出20倍。

  俄羅斯的“貨運天梯”

  從太空艙將纜繩送回地球,巧妙完成運貨

  據俄羅斯《真理報》報道,“天梯”這個設想將在最近幾年有突破性進展。受歐洲太空署委托,俄羅斯薩馬拉太空大學的科學家一直在研究建造這種可以把許多物品從國際空間站送回地球的裝置。報道中稱,俄羅斯科學家的該研究工作已進行到收尾階段。這部“貨運天梯”的主要工作原理其實並不復雜,裝有貨物的太空艙將通過一根從太空站延伸出來的30公裏長的特別牢固的纜繩送回地球。纜繩重量不會超過6公斤,自然需要用特別材料制成。當其進入大氣層後,纜繩會燃燒,貨物則接著依靠自帶氣球的托力,繼續緩緩地落向地球。

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【糾錯】 責任編輯: 張新華
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