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月球太空电梯有望先问世。

  最近,由美国航空航天局前工程师迈克尔-莱恩创办的电梯港集团公司宣称,由于在月球上建太空电梯比在地球上建更容易,所以该公司可用现有技术在月球上建造一座太空电梯,并表示这一想法能在8年内成为现实。

  十九世纪末就提出幻想

  现在进入太空的主要工具是运载火箭,它是通过消耗大量燃料来摆脱地球引力的。目前的运载火箭所携带的燃料要占到火箭总重量的90%以上,它每运送1千克有效载荷上天平均需耗资约1万美元。而太空电梯虽然造价昂贵,但不需要动用大量燃料,因此建成之后的运行费用比运载火箭低两个量级,且可像高速公路一样24小时运转,将航天器、有关货物和旅游者等带到太空去。

  用一根粗大的吊索,一端固定在位于地球赤道的平台上,另一端紧紧抓住距地面约3.6万千米、与地球同步运行的航天器上,就可使一个形似电梯的吊箱载着货物沿吊索驶向太空……这就是一些国家研究人员正在尝试设计的太空电梯。它似乎是科学幻想,然而在科技高速发展的今天,该梦想很有可能变成现实。

  太空电梯的概念早在1895年就由俄国科学家、航天学之父齐奥尔科夫斯基提出。此后,俄国早期太空预言家塔斯安德尔也提出在地球与月球之间搭建一个太空电梯。1979年,著名科幻大师克拉克在其小说《天堂喷泉》再次提出太空电梯的概念,并引起广泛注意。

  2003年9月15日在美国圣达菲召开的研讨会上,俄罗斯和美国70多位科学家和工程师们对太空电梯进行了讨论,最终一致认为它将在21世纪内变成现实。近些年,这个曾被视为科学幻想的革命性工程在一些相关技术上有了较大进展,并出台了多种方案。

  太空电梯还能在建造空间太阳能站中发挥重要作用。随着地球人对能源需求的不断增加,空间太阳能站有可能成为最具吸引力的获取能源的方式。不过,用火箭发射空间太阳能电站时会产生振动,而且要求有效载荷必须能够承受发射时的压力,所以用传统发射方式并不适合把大量易碎的太阳能电池板送入轨道,而太空电梯则不存在这些问题。

建在海上的太空电梯(示意图)。

  难点在制造高强度缆索

  太空电梯的原理并不复杂,基本上就是一条长长的缆绳一端固定在地球上,另一端固定在地球同步轨道的平衡物(如大型卫星或空间站)上。在引力和向心加速度的相互作用下,缆绳被绷紧,太空电梯将利用太阳能或激光能沿缆绳上下运动。

  首先,要在大洋中建造一个漂浮的平台,这个平台要位于一个暴风雨、闪电和巨浪较少的海域,还要远离飞机的航线和卫星的轨道。太空电梯必须能防雷击,否则它将容易被斩断。据设计,太空电梯将重达20吨,整个外形很像一个圆球下面系一根长达10万千米缆索来充当太空电梯上下的轨道。

  将履带轨道固定在缆绳的两端,并且依靠从地面发射的激光转换成的电能作为动力加以推动。它将建造成为管状的通道,沿轨道来回运行时,可以将航天器、各种货物和乘客带入太空。

  简言之,要先发射卷有缆索的卫星或空间站,让缆索的一端借助重物坠回地面,最终与地球上的平台相连接,同时,另一端在位于外太空的卫星或空间站上展开。地球自转时,太空电梯缆索就会产生向上的离心力,而地球的重力将缆索往下拉,这样缆索就平衡了。

  乘人的太空电梯是加压的密封舱。如要发射卫星,当卫星由太空电梯送到地球静止轨道高度时,自然就获得了沿静止轨道运行所需要的速度3.08千米/秒,而不需要另外加速就成为地球静止卫星。发射低轨道卫星时可使卫星沿太空电梯上升,到达预定高度时就离开太空电梯。这时卫星已经获得一定的切向速度,再补充一定速度就行了。如果加大补充速度,就可以使卫星脱离地球,飞向行星际空间。

  目前,俄罗斯、美国和日本等国都在研制太空电梯。建造太空电梯的最大障碍来自缆索的建造。它必须非常轻和极其牢固,并能够经受住大气层内外向它袭来的任何物体的撞击。从理论上计算,制作缆索的材料强度必须达到钢铁的约180倍。随着纳米技术的发展,科学家不断开发出质量轻、强度高的碳纳米管纤维材料,现有的此类纤维材料强度已经达到了所需强度的约1/4,这使修建太空电梯逐渐成为可能。

乘太空电梯登天(示意图)。

  月球引力小更易建太空电梯

  美国科学家皮尔逊大胆设想,制定了一个月球太空电梯方案:在运行于月球太空轨道上的同步卫星和月球表面间建立一个“升降机”,“升降机”由人造复合纤维缆绳拴住,卫星则好像飞翔在太空中的风筝。皮尔逊认为这一设想在理论上是可行的,因为月球引力只有地球的1/6,依靠目前科技水平制造的合成纤维缆绳已经足够满足承担运输工作的强度要求。与此同时,在月球周围也不存在废弃的火箭推进器、卫星以及其它太空垃圾所带来的危险,又使这一计划免除一项后顾之忧。

  也许有人会觉得皮尔逊的想法过于疯狂,但美国航空航天局的先进概念研究所却不这么认为。这家独立机构2004年就资助皮尔逊7.5万美元用于设计其月球太空电梯。

  现在,美国电梯港集团公司又提出月球太空电梯的实际方案:建造从月球上空5万千米处垂向月球表面的月球太空电梯,因为月球的引力小,并且月球上基本没有空气,所以可以大大降低对缆绳强度的要求,只需使用一种名叫“柴隆”(Zylon)的高强度、高耐热性复合纤维,就能实现打造月球太空电梯的梦想。

  制造月球太空电梯的材料比制造地球太空电梯要轻许多,其缆绳的一端固定在月球表面某个面朝地球的地点。不过,月球太空电梯较小,只能运输200~250千克的货物。但如果用它来采集和运输月球矿石标本,已经足够了,这将使月球采矿和运回地球的成本大大降低。

  建成后的月球太空电梯还可以与地球太空电梯连成一体,将来有一天,人类只需经过几次换乘,就可以乘坐太空电梯从地球抵达月球了。

  仍有很多工程难题需克服

  目前,研制太空电梯最大的挑战是能否以较低成本大规模生产出纳米碳管,因为纳米碳管现在还只是毫米级制品,距实用差距甚远。从理论上说,如果用纳米碳管这种材料造出直径1毫米的碳纳米绳,该纳米绳就可以承载60吨的重量;而一根1米宽、像纸一样薄的碳纳米缆绳的强度,就足以支撑起一架太空电梯。然而迄今为止,科学家仍然无法用纳米碳管编织出长长的缆绳。此外,每克纳米碳管就价值500美元,要制造出一条10万千米长的碳纳米缆绳就十分昂贵了。

  另外,向太空发射各种电梯建设材料花费巨大,且如果太空电梯因严重事故崩塌,损失惊人。

  还有,当太阳风向太空电梯施加压力时,来自月球和太阳的重力作用将使绳索变得摇摆不定。这将有可能使太空电梯摇摆造成太空交通障碍,太空电梯也可能会碰撞上人造卫星或者太空垃圾残骸,这样的碰撞将导致绳索断裂或太空电梯失事。为此,太空电梯必须在内部建造推进器,以稳定太空电梯致命的摇摆振动,但这又将增加电梯建造的难度和建造维护成本。