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14天到月球,61天到火星!科幻片中的太空电梯2035年有望成真?

作者:说宇宙

电梯大家都坐过吧,但你有没有坐过直冲云霄,甚至可以一键直达太空的电梯?如果真有这样的太空电梯,那其被称为现实版的“通天塔”可以说毫不为过。

注意,这可不是小说里才会有的情节,日前,在刚刚结束不久的2022空间技术和平利用(健康)国际研讨会上,国际太空电梯联盟主席、国际宇航科学院院士彼得・斯旺就证实了这一猜想,未来太空电梯或将不再是梦。

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人类想象力的又一结晶:太空电梯

人类之所以与其他生物不同,最重要的一点就是我们会思考除了生存之外的东西,而要说什么是人类思考的所有东西中最璀璨的明珠,非那无与伦比的“想象力”莫属。

如果没有想象力,我们只会着眼于眼前的一切,那么人类历史上所有的进步将成为空谈。举十九世纪法国知名小说家凡尔纳写的科幻小说,就为不少科学家提供了发明灵感,比如其著作《海底两万里》直接催生了现代潜水器,著作《云之帆》则是推动了现代直升机的诞生。

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凡尔纳与Argonaut号潜水艇

和上面提到的现代科技一样,太空电梯最早初只是人们的一种设想。

俄罗斯著名学者康斯坦丁·齐奥尔科夫斯是最早提出太空天梯设想的人,他由于被埃菲尔铁塔的宏伟所震惊,于是设想了一个建立在巨塔顶端的“天空城堡”,这个城堡的高度远超人类目前已知的所有建筑,将直接建设在距离地球数万里的静止轨道上。

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人类通过“天空城堡”去往太空的设想

后来,不少科幻作家将太空电梯写进了自己的科幻小说中,目前已知最早关于太空电梯技术层面的描写,来自于科幻巨匠阿瑟·克拉克。

在其1978年出版的科幻小说《天堂之泉》中,阿瑟·克拉克直接点明了太空电梯的两大用途:人们不仅可以通过乘坐电梯去太空观光,而且太空电梯本身也可以起到运送货物的作用。

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美国宇航局设想的天梯

随着时代的发展和科技的进步,越来越多的科学家开始逐渐完善太空电梯的设想。1999年,美国宇航局发表了《天梯:太空的先进基础设施》一文,直接标志着太空电梯开始从幻想逐渐走进现实。

目前,除了美国宇航局之外,包括欧洲太空署在内的不少宇航局都已经公开对外宣称,他们正在进行太空电梯的研发,国际太空电梯联盟也因此而成立。

有了航天飞船,为什么还要研究太空电梯?

那么到底什么是太空电梯呢?它和一般的航天设施相比又有什么样的优势,能够引得如此多的宇航局竞相研发呢?

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太空电梯连接近地空间站科幻概念图

所谓太空电梯,简单来说,就是一种能够使人和货物往返于太空的设备。与普通电梯不同,太空电梯并不是往返于楼层之间,而是直接将人和货物送往远在万里高空的宇宙空间站。

前不久,大陆长七火箭发射天舟五号货运飞船任务取得了圆满成功,这标志着中国空间站“天宫”建造任务取得了又一最新进展。据了解,大陆将于2022年底彻底完成空间站在轨建造,届时,中国人将拥有属于自己的空间站。而中国航天目前取得的一切成就,离不开大陆的“长征”系列运载火箭。

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中国空间站

自从2011年航天飞机退役后,以液体或者固体燃料为推进剂的运载火箭,就成了目前人类唯一能够往返太空的载具。虽然部分国家现在已经成功研发出了可供回收的运载火箭,但发射和维护运载火箭的成本仍然居高不下,正因如此,浩瀚无垠的太空才只吸引了少数玩家,大部分国家根本无力参与这场太空“游戏”。

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美国航天飞机+运载火箭

但这些航天强国的钱也不是大风刮来的,目前不少宇航局都在尽力降低自己的运营成本,太空电梯就成了比较好的选择之一。

1.成本更低

按照国际统一标准,人类运载火箭的发射成本是以公斤来计算的,目前每公斤发射成本大概在6000美元到1.2万美元不等。虽然听起来不多,但对于以吨为计算单位的运载火箭来说,发射成本可以说是一个天文数字,实在不是一般国家能承受得起的。

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俄罗斯重型运载火箭

与运载火箭相比,由于属于重复利用设备,太空电梯的运营成本则更为低廉。据科学家计算,倘若建成太空电梯,每公斤物资运输成本将直接降至500美元左右,如果未来物资运输都从依靠运载火箭换为依靠太空电梯,将可以节省一大笔费用,这些资金完全可以用作空间站建造、探索月球、星际旅行研究等其他太空项目中。

2.更为环保

除了发射和运营成本较高外,运载火箭还有着极易制造太空垃圾的缺点。

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运载火箭分级脱落示意图

运载火箭主要靠发动机消耗助推剂前进,每一级火箭在燃料消耗完毕后,都会从火箭主体脱落,后在大气层中自由落体。虽然大部分脱落的火箭会在大气层中燃烧殆尽,但还是会有不少残余在近地空间环绕,由于缺乏空气摩擦,久而久之,这些残余就会成为所谓的“太空垃圾”,给人类带来极大地困扰。

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环绕地球的太空垃圾

太空垃圾小到运载火箭的燃烧残渣,大到失灵难以回收的各类航天器(如废弃卫星、废弃空间站等),它们不但会对其它航天器的安全产生威胁,某些太空垃圾如果落入地面也将带来不小的损失。

而如果把运载火箭成功替换成太空电梯,将在极大程度上缓解太空垃圾问题,因为运行太空电梯不需要进行火箭脱离等步骤,而且由于和地面接触更容易维修,所以其不太可能产生太空垃圾。

3.太空旅行前景广阔

2021年,美国商业太空公司SpaceX的首次商业太空旅行任务项目取得圆满成功,在此期间,由四位非专业宇航员组成的“全部非专业宇航员机组(all-civilian human)”实现了绕地三天旅行的目标。

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机组成员从左到右:克里斯托弗·森布罗斯基、西安·普罗克特、贾里德·艾萨克曼和海莉·阿尔克诺

这只是人类太空旅行的一小步探索,随着SpaceX、蓝色起源、维珍银河等公司的不断探索,未来商业太空旅行将逐渐普及。根据瑞银集团的预测,到2030年,太空旅游潜在市场价值将高达30亿美元,日后前景更是不可限量。

但需要注意的是,由于航天技术复杂,运载火箭运营成本居高不下,现阶段商业太空旅行仍然只是少数富人的“蛋糕”。比如这次SpaceX的商业太空旅行任务花费的所有资金,就全部由一位现年38岁美国亿万富翁贾里德·艾萨克曼承担,这远远不是普通家庭能承受得起的。

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SpaceX“龙”飞船首次商业载人航天任务成功发射

可以预见,除去必要的技术进步,未来如果想要太空旅行真正的普及全人类,降低成本是头等大事,而运营成本极低的太空电梯无疑是较好的选择之一。

从设想走进现实仍需时间

随着现代科技的不断发展,太空电梯已经不再是遥不可及的梦想。

建造太空电梯,除去必要的资金投入,最主要的是需要解决一系列的技术难题,目前科学家已经在诸多理论方面取得了不少进展。

1.设计理论逐渐完善

由于建造高度超越人类以往任何一栋建筑,因此要想成功造出太空电梯,必须研发全新的建筑材料,以使得建筑整体的强度和伸展性能够适应万米高空。现阶段,科学家已经成功研发出了碳纳米管和超强石墨烯,这两种材料被认为能基本满足建造太空电梯的实际要求。

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碳纳米管和超强石墨烯结构图

光有完美的建筑材料远远不够,建造太空电梯更需要科学合理的设计方案。目前科学界已经提出了 8 个设计方案,仅在理论上而言,它们都能够成功建造出完美的太空电梯,而且有不少方案已经在实验中,离最终落地并不遥远。

2.细节问题仍待攻克

但要知道,任何一个工程的最终建造,解决宏观理论问题永远只是第一步而已。在人类历史上,不少大国工程虽然理论设计早已成功,但在真正建造过程中,却都需要解决不少的细节问题,往往这些细节上的困难才是阻碍工程推进的最大困扰。

据科学家介绍,目前离真正建造太空电梯,仍需先解决一系列的细节问题:

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太空电梯各个细节

太空电梯跨越万米高空,何种动力装置才能满足推进需求?如果采用火箭推进,那和目前的运载火箭相比怎样才能优势明显?因此人类需要抛弃原有的火箭思路,在地球上建造全新的大功率发动机,以支撑太空电梯的运行。

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跨越地月的太空电梯设想图

高楼电梯速度一旦过快,就会让人产生不适,既然想要借助太空电梯实现太空旅行,合适的往返速度就是必须要解决的问题。根据目前的设计方案,太空电梯运行速度约为每小时200公里,理论上由于不需要担心燃料损耗问题,因此其持续运行时间要比普通运载火箭要更为长久。

未来太空电梯如果实现星际跨越,预计仅用14天就可到达月球,到达火星更是只需要2个月、61天左右的时间。

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不同类型的太空电梯概念图

虽然太空电梯能有效避免天空垃圾的产生,但之前存在的太空垃圾仍会威胁电梯的正常运转,如果在运行过程中电梯突然遭遇太空碎片冲击,什么样的安全措施能保护乘客和货物安全?

类似需要解决的细节问题数不胜数,但这并不足以阻碍人类建造太空电梯的脚步,人类历史的进步就是在一次又一次与技术问题斗争中而艰难前进的。

结语

目前,倘若一切技术问题都能得到合理解决,科学家预估最早能在2035年左右使太空电梯投入运行,但作为像国际空间站一样庞大的太空工程,其实需要各国团结统一,只有集合全人类的力量,太空电梯才能真正从设想走进现实。

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UHT Unitech与西班牙FIDAMC合作开发太空级碳纤维

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