线缆材料仍未解决，太空电梯距现实依然“还差25年”

去年上映的科幻电影《流浪地球2》中，前半部分的高潮是在太空电梯上发生的激烈打斗。事实上，早在2012年日本著名建筑公司大林组就提出了建造太空电梯的计划，计划于2025年开工，2050年完工。如今时间节点已经临近，该项目进展如何呢？诸多外媒就此采访该公司和业内专家后感叹，太空电梯距离现实似乎仍然“还差25年”。

组建太空电梯分几步

《日本经济新闻》近日称，大林组在2012年完成高达634米的东京晴空塔建造工程后，雄心勃勃地提出建造太空电梯的计划，设定目标是2025年开工，2050年完成。但在2024年6月举行的东京国际信息技术展览会现场，大林组负责太空电梯项目开发工作的技术本部未来技术创作部的渕田安浩以“大林组·太空电梯及其前景”为题发表演讲时承认，目前需要解决的课题仍然堆积如山，离开工建设仍有距离。

英国《新科学家》网站刊登的太空电梯概念图

报道称，最早关于太空电梯的设想是被誉为“航天之父”的俄罗斯科学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基于1895年提出的。他受巴黎埃菲尔铁塔启发，设想在地面上建设一座超高的铁塔，直通地球同步轨道，然后搭乘内部电梯就可以进入外太空。

齐奥尔科夫斯基的这个设想此后几经变迁，如今太空电梯的构想已经基本定型：通过超强结构的线缆将太空站和地球表面连接，可以方便地运送人和货物在天地之间往返。大林组细化的设计方案是在位于赤道海面上建立“地球港”基地，通过碳纳米管材料制成的线缆，连接位于不同轨道高度的太空设施。例如在高度约300公里的近地轨道上布置“近地轨道卫星投放门”，从这里可以将从地球运来的人造卫星释放到轨道上；3.6万公里高度的地球静止轨道上设置“静止轨道站”，由居住单元、实验单元、舱外实验单元等组成；在9.6万公里的最顶端设有平衡整个结构的平衡锤。此外还会根据不同高度的重力情况，设置“火星重力中心”和“月球重力中心”（重力等同于在火星或月球上）等实验设施。按照大林组的计划，从地面搭乘时速约200公里的“升降机”，经过1周左右即可到达静止轨道。

大林组甚至明确提出具体的建设方法：首先，在高度300公里处组装建造太空电梯用的宇宙飞船，然后将宇宙飞船移动到地球静止轨道，从宇宙飞船向下释放碳纳米管线缆，与地面连接并固定，之后在线缆上安装升降机。升降机在地面和太空之间穿梭运输材料，建设空间站等设施。渕田安浩表示：“预计电缆加固总共需要510次，到完成为止共需要大约20年时间”。

最理想的天地交通工具

美国“商业内幕”网站称，太空电梯堪称“从地球前往太空的梦幻运输工具”。目前人类进入太空的最大问题在于成本太高，传统的火箭将人类和物资送往太空极其昂贵。例如美国国家航空航天局估计，四次“阿尔忒弥斯”登月任务中，每次发射将耗资41亿美元。即使是当前发射成本最低的美国太空探索技术公司的“猎鹰9”号可重复使用运载火箭，平均发射成本为每磅1227美元（约每公斤2700美元）。这是因为利用传统火箭进入太空需要携带大量燃料，但燃料自身重量很大，反过来又增加了需要携带的燃料量，形成了恶性循环。对于需要大规模运送建筑材料的太空基建来说，传统火箭的这个缺陷简直难以忍受。相比之下，太空电梯不需要火箭或燃料，几乎完美地避开了这个缺陷。太空电梯通常设计为利用电磁技术为升降机提供动力，它们可以借助太阳能或微波技术远程输电，从而消除了对燃料的需求。

报道称，大林组未来技术创造部发表的太空电梯项目报告中提到，太空电梯可以将货物运送到太空的成本降至每磅57美元，其他机构对太空电梯的总体运输成本评估是每磅227美元，都远远低于常规运载火箭的成本。此外，传统火箭受整流罩的尺寸限制，能够运送的载荷不能太大。而太空电梯在此方面的限制就要小得多。同时升降机的运行速度比火箭慢，但可以减少振动，这一点对于将敏感设备送入轨道非常重要。

碳纳米管制造技术仍不成熟

《日本经济新闻》称，太空电梯此前一直停留在空想阶段，是因为缺乏制造连接地球和太空的超长线缆所需的兼具轻巧和强度的材料。线缆必须非常坚固，才能承受自身的巨大重量以及太空设施带来的张力。根据计算，钢铁等常规金属材料的性能远远无法满足太空电梯线缆的需求。升降机与线缆摩擦产生的热量是另一个问题：在太空的真空中，热量很难消散。

但这种情况在1991年发生了改变——质量轻、强度高的碳纳米管材料被发现了，太空电梯自此具备了可实现性。据介绍，理论上碳纳米管强度最高可达200Gpa，意味着200根比头发丝还细的碳纳米管就可以拉起一辆汽车。它兼具高分子和金属的优势，密度仅为钢的1/6，但弹性模量是钢的5倍，抗拉强度是钢的100倍，常温下热导率也远超其他金属材料。因此碳纳米管也被大林组认为是制造太空电梯超高强度线缆的理想材料。

日本大林组设计的太空电梯

然而根据大林组的计划，未来太空电梯的线缆并非是将多根碳纳米管组合以增加强度，而是需要制作长度达到9.6万公里、分子与分子之间相连的单根碳纳米管。在6月举行的东京国际信息技术展览会现场，相关负责人透露，目前只能制造出不到1厘米的符合相关要求的碳纳米管。因此报道承认，大林组现在还在研究作为线缆材料的碳纳米管的大规模制备工艺。

面临更多技术挑战

美国“趣味工程”网站提到，除了没有合适的线缆材料外，太空电梯还面临其他各种技术挑战。例如太空中的空间碎片越来越多，对于在轨航天器的威胁也持续增加。目前国际空间站主要是根据可能的碰撞调整运行高度进行躲避，但对于质量远超国际空间站的太空电梯上层建筑，想要调整运行轨道的难度就要大得多。同时太空电梯的线缆也面临空间碎片撞击、强宇宙辐射和剧烈温差的持续影响、大气层内风暴与雷击等极端天气的威胁，如何应对这些挑战还没有明确的方案。

此外，为确保太空电梯的太空部分与地面部分保持同步，需要将其建立在赤道上，目前具备相关航天建设能力的国家大都位于北半球。再加上相关配套设施庞大、工程量惊人，太空电梯对于附近的交通运输条件有一定要求，这也是大林组将其建造位置选择在海上基地的主要考虑。但“趣味工程”网站提到，海上气候变化较大，可能遭遇风暴袭击，同时相关安防挑战也较大，容易遭到海上恐怖袭击。最后，相关建造费用极其昂贵，大林组预计成本在1万亿日元（约合68亿美元）以上。

因此尽管加拿大物理学家史蒂芬·科恩等人在本世纪初乐观估计，只要二三十年就可以让太空电梯成为现实，但如今渕田安浩承认，该项目需要各方合作，目前仍在寻找合作伙伴。

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