03.03 太空電梯究竟是否可行?如果想實現,科學家需要解決哪些難題?

哈嘍大家好,上一期欄目中,我們介紹了太空電梯的概念。自從蘇聯航空專家齊奧爾科夫斯基提出了這個概念後,世界各國的科學家都在認真考慮這個問題。

雖然科學家們一直在思考這個問題,但是他們需要面臨的阻礙也非常多。今天,咱們就來說說建造太空電梯需要解決哪些難點。

我們上一期作對比說,太空電梯比當今世界最高建築哈利法塔高了40000倍。其實,這個對比有些無厘頭,因為這樣的差距,意味著人類的建設方式幾乎是完全不同的,哈利法塔的建築經驗,對於建造太空電梯,幾乎沒有任何參考價值。

太空電梯究竟是否可行?如果想實現,科學家需要解決哪些難題?

首先,這個電梯的材質,就不能像哈利法塔一樣用鋼筋混凝土,即使是鋼筋也不行,它們太“脆弱”了。尤其是纜繩,即使是鋼筋,也不可能勝任。就算有一根三萬多米的鋼索從同步衛星連接到地面,即使不加任何載荷,都會被自身重力扯斷。目前來說,科學家比較看好的是碳納米管。但是,碳納米管也不是想用就能用,這個問題,我們下一期再介紹。

另外就是,如果電梯建成了,應該用什麼動力來實現升降呢?大致來說,目前科學家有三種選擇:第一,採用現代電梯的模式;其次,就是採用火箭的模式點火助推;第三,則是發射激光將電梯“射”上去。這些模式都有各自的缺點,限於篇幅我們就不介紹了。總之,從動力方面,科學家也需要面臨很多問題。

太空電梯究竟是否可行?如果想實現,科學家需要解決哪些難題?

即使建造好了,科學家也不能喘息。因為,他們面前還有一個重大的威脅:太空垃圾。歐洲航天局前不久給出了一個數字:目前僅僅能夠跟蹤到的太空垃圾,就多達2.33萬塊,尚未發現的更是數不勝數。它們圍繞著地球旋轉,具有極高的速度。因此,任何一小塊如果撞上了電梯,恐怕後果不堪設想。因此,要麼我們先想辦法把這些太空垃圾除掉,要麼提高電梯的牢固性。

而前面說到的海面基站,或許可以在這方面起到作用,科學家指出:海面基站可以隨時移動,躲避太空垃圾。不過我對此表示懷疑:太空垃圾速度那麼快,而且毫無章法,我們的反應夠快嗎?

其實,關於太空電梯的文章,我小的時候就看到過。具體內容記不清了,只是隱約記得那一部設想中的電梯,是從地面到月球的。最近我也上網瞭解了一下,還真有這個說法。不過至少從上面的介紹來看,還是不太現實的,因為月球和地面的相對位置在不斷變化,電梯會扭斷的。

太空電梯究竟是否可行?如果想實現,科學家需要解決哪些難題?

接下來就是配重的問題。如果你經常使用商場的觀光電梯,會發現轎廂後面有一塊巨大的金屬板,它就是配重。對於一個電梯來說,單純依靠電力頻繁上下行所消耗的能量也是非常多的。為此,電梯設計者非常聰明地加了個配重,當電梯上行的時候,利用配重片的重力繞過定滑輪給轎廂提供一個免費的上升力,可以大幅減少消耗的能量,以及純電力曳引所導致的磨損。一般來說,配重的重量相當於轎廂滿載重量的一半。

對於更高的太空電梯,這個問題就更加凸顯。科學家非常聰明,他們提出了一些建議:可以將空間站運送會地球的垃圾或者科學樣本作為配重的一部分。另外,太空電梯的配重也不是單純的金屬,或許可以用太陽能電池來代替,既節省了空間,又能起到配重的作用。

太空電梯究竟是否可行?如果想實現,科學家需要解決哪些難題?

難怪根據NASA先進概念研究所(NASA Institute for Advanced Concepts,簡稱NIAC)的預算,第一座太空電梯的造價可能達到400億美元——畢竟要解決的問題實在太多了。而隨著第一座太空電梯的建成,第二座的造價就會大幅降低了。說真的,看了這麼多的困難之後,你有沒有和我有一樣的感覺:錢才是這裡面最好解決的一個……

因此,雖然日本、美國等國的科學家紛紛表示太空電梯可行,還有人說最近幾年就可以實現,甚至康奈爾大學的科學家在arXiv發表論文稱:利用現有的科技,我們就能實現太空電梯的建造(或者嚴謹地說,是類似於太空電梯的產品)。但是,至少從目前來看,人類所面臨的問題差的不是一星半點。

太空電梯究竟是否可行?如果想實現,科學家需要解決哪些難題?

相比之下,日本建築公司大林組所提出的2050年的預計時間,看起來還靠點譜,而且可能是最早的時間。

當然,上面的這些難點,從科幻的角度來說,還是可以解決的,那就是像科幻片裡那樣通過一道光,然後咻,就傳送到了。乍聽一下,你可能覺得我在瞎扯。我要認真地告訴你,我是很認真地在扯……

太空電梯究竟是否可行?如果想實現,科學家需要解決哪些難題?

誰知道呢,沒準未來就有一種科技,實現這種新式的軌道呢。比如太陽帆利用的光壓原理,或者其他什麼科學原理,建立起一個不需要實物的通道,只需要地面和空間站兩端建立相應的設備就可以。

如果真的是通過這種方式,那麼顯然實現的時間也短不了,因為我們幾乎還沒有相關的理論支持。

搞不好,當我們具備這樣的技術時,人類已經開發出了其他的渠道以進入太空。相信在部分科學家開發太空電梯的同時,也有其他科學家研究更多的方法。

太空電梯究竟是否可行?如果想實現,科學家需要解決哪些難題?

也許,某一天有外星人來了,像科幻電影裡一樣用一道光就能“咻”地從UFO來到地面,咱們可以問問他們,是怎麼實現這個技術的……

當然,人類就是這麼不信邪的生物,總是有些人要挑戰一下不可能。那麼,除了NASA的科學家們,是否還有其他人研發過或者正在研發太空電梯呢?咱們下一期詳細說說這個事。


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