材料疯狂迭代，太空电梯还真有戏

　　迟恩

　　比火箭性价比更高

　　在之前的文章中，我们深究过现阶段商业火箭在液氧甲烷推进剂、不锈钢蒙皮等方面的技术路线选择，这些实践的最终目标，其实都是为了实现低成本、长距离的火箭运输。除了火箭运输之外，还有没有更低成本的选择？

　　SpaceX 猎鹰九号的实践证明，助推火箭的可回收性一旦成立，会大大降低开支，单次火箭发射费用“只”需要9000 万美元——当然，这是跟美国同类型火箭每次发射需要4 亿美元相比。而猎鹰九号的发动机推进剂选择的还是比液氧甲烷燃料成本贵三四倍的液氧煤油，原来的“中等生”液氧甲烷顺势就成了商业航天界的香饽饽。

　　可是火箭运载能力终究有限，成本也不可能对标现在的民航运输成本，针对这一点，其实很早就有人提出过解决方法，那就是“太空电梯”，即通过高空缆线直接运送人们离开地球、抵达太空。

　　最早关于太空电梯的想法可以追溯到《圣经·创世记》：以色列人的祖先雅各布在接近应许之地时，做梦沿着登天的步梯获得了耶和华的赐福。后人便把这梦中描绘的连接天堂与人世间的梯子称为“雅各布天梯”。

　　到了近代，科幻小说开始将这一想象具象化。1979 年，那个科幻“黄金时代”，科幻小说作家亚瑟·克拉克在《天堂的喷泉》中着重讲述了工程师摩根克服无穷的现实舆论压力和技术困难，最终依靠一种强度极大但质量极轻的碳纤维材料建成了登天电梯的故事。小说中，人类最终将地球与已经全部横向相连的同步轨道卫星各自垂直连接了起来。

　　这可能还太超前，刘慈欣的作品中这一技术要显得更“务实”些。《三体》中，太空电梯的连接点、连接方式乃至导轨材料都有相应的说明， 其实用性早已超越化学火箭时代， 将进入太空的成本大大降低至大部分人都能接受的程度。那现实世界中，太空电梯尚未起步的阻碍到底是什么？

　　材料需严选

　　经过几代科学家的演算，天空电梯其实早已不是天方夜谭：它本质上是一座永久性的“缆绳”建筑，从地球表面某一点延伸到地球轨道的某一固定点（通常是卫星），一旦锚定和平衡，激光供电允许运输工具沿着这条缆绳频繁运动。当然，哪怕是最前卫的业内人士也明白建造太空电梯的成本不会低，“类似于开发詹姆斯·韦布空间望远镜并将其送入轨道的费用”，但在成功发射几吨有效载荷后就可以收回成本。

　　这必然是一个巨型建筑，首要目标就是要保证这一建筑的安全性与结构完整性。物理学告诉我们，当一个东西越大、越长，所受到的“应力”就越大——“应力”指的是机械张力，就像我从两头拉扯或压缩一个弹簧时它所受的力。一个物体的强度则是指，它的结构在被破坏前所能承受的最大的力。

　　新型钢合金等高强度材料的出现，允许人类在地面上建设各类大型建筑，但在太空就是另一回事了。

　　理论上讲，位于地球静止轨道之外的卫星可以通过多种力的组合来稳定电缆，比如地球引力，会从地面对其施加向下的力；以及其旋转的离心力，会施加向上的力。力的相互作用会产生理想的机械张力，这也是维持如此惊人长度（至少长达3.58 万公里）的电缆所必需的。但问题是什么材料才能承受这些来自地球和太空的力量？用钢的可能性不大。据美国东北大学

　　物理学教授阿尔贝托·德测算，如果用标准钢材料建设超3 万公里的电缆，其面临的最大应力将超过其抗拉强度额定值60 倍以上，“电缆上的应变，即一微小材料元素承受应力时所产生的形变强度，可能超过10 万kN /（kg /m）”。也就是说，在如此巨大的张力下，钢丝哪怕只是从9 公里的高空中垂下来，也会被自己的重量拉断。

　　碳纳米管行不行？

　　电缆是太空电梯得以实现的关键元件，它的材料更是困扰科学家与工程师许久，直到上世纪90 年代末“碳纳米管”的出现。值得一提的是，《三体》里的太空电梯所使用的导轨，使用的也是一种名为“飞刃”的纳米材料，几乎就是在暗示现实中的“碳纳米管”材料。

　　想要理解碳纳米管的分子结构很简单，可以先想象一下自己手里有一层石墨烯，把石墨烯“卷”起来，形成一个无缝的、管的结构，你就得到了一个碳纳米管。

　　碳纳米管非常细小，柔韧性足以将其制成纤维，但同时它的强度又能媲美金刚石。决定强度的一个关键因素是“长径比”，即长度与直径之比。目前材料工程师希望得到的长径比至少是20 ∶ 1， 而碳纳米管的长径比一般在1000 ∶ 1 以上，是极其理想的高强度纤维材料。美国宾州州立大学的研究人员研究结果显示，碳纳米管的强度比同体积钢的强度要高100倍，重量却不到后者的六分之一，因此业内多称之为“超级纤维”。

　　但碳纳米管的问题在于，还做不到那么长，已经构建成功的碳纳米管最长也就几英寸，难堪大任。不过，最近几年随着材料发现、验证速度加快，众多可供备选的选手也出现在研究人员的视野中， 比如氮化硼纳米管、金刚石纳米线等具有“低密度和高拉伸强度”的材料。在材料科学、太空技术和工程学新一轮热潮下，突破性的进展或许不会让我们等得太久。

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