利用火箭进入太空是非常昂贵的一个途径。根据NASA的一份报告指出,在2018年他们要向俄罗斯付约$4.9亿才能把六个宇航员送上太空,也就是$8200万一个席位。不同的公司发射卫星的花费也不一样,每公吨耗资在$1000万到$3000万之间。
但是除了火箭,其实我们还有一个更经济的选择,那就是太空电梯。
太空电梯的想法可以追溯回1895年,当时俄罗斯科学家Konstantin Tsiolkovsky受到当时刚建成的埃菲尔铁塔的启发,他开始思考,如果能够把铁塔建至35,800公里的高度,就会直达地球静止轨道,那么就不需要火箭也可以把飞船送入太空。他的概念跟我们现在的想法差不多。科幻小说家克拉克在《天堂的喷泉》一书中也提到了主人公修建了一座太空电梯,更是激发了人们对太空电梯的极大兴趣。
2002年,NASA的Brad Edwards鼓励同僚重新思考现代版的太空电梯。Brad Edwards在报告中指出,一个可行的太空电梯应当包括四个部分:缆绳、锚、平衡锤和升降机。电梯部分由耐用的缆绳和机械升降机组成,从地面一直延伸到太空中。升降机和普通电梯一样,可以承载许多吨的设备仪器和人,沿着缆绳来回往返。
在地球地面有一个非常重的锚把缆绳牢牢地束缚在地球上,在顶端则是一个平衡锤支撑着缆绳,平衡锤可以当成一个空间站。
虽然这样的一个项目一开始会耗资上百亿,但最终会通过更便宜的太空旅行得到更大的回报。根据2014年国际宇航科学院(IAA)的报告,这种电梯一旦建成,向太空中运送货物的成本将减至$500每千克,而目前用火箭运送的成本约为$20,000每千克。
另外,加拿大斯科科技提出了一个不同的概念设计,并获得了专利。他们的目标是建造高达20公里并且可充气的太空塔,在塔顶端有一个平台可以发射火箭,如此一来可以大大较少燃料的费用。但所有的太空电梯设计都面临着同一个问题:材料。
为了建造一个可以达到几万米高空的缆绳,它必须用非常坚实、密致和柔性的材料。这是因为当离地球越来越远的时候引力就越弱,因此缆绳的抗张强度需要支撑自己大约5000公里。工程师起先认为超柔性和坚韧的碳纳米管可以作为缆绳的材料,但是今年香港理工大学的一项研究排除了这个可能性。不过仍然有科学家坚信碳纳米管是建造电梯的未来。
除了碳纳米管,去年研究人员还发现了一种超薄的新材料“金刚石纳米线”(Diamond nanothreads),是一种由钻石构成的纳米级材料,比碳纳米管强度还要高,未来或许可以成为建造太空电梯的关键。缆绳所需要的材料目前还没有出现,但是研究人员乐观地认为在2030年前,对的材料肯定会出现。
虽然研究人员现在面临着材料问题,但是这并没有阻止日本科学家尝试建造太空电梯。比如日本静冈大学设计的STAR-C orbiter已经在前往国际空间站的路上,将在太空测试Kevlar能否成为制作缆绳的材料。日本的大林组也提出要在2050年前制造太空电梯。
从太空电梯俯瞰地球。另一方面,由于在月球和火星上的引力要比地球弱,在这些小星球上我们已经拥有制作太空电梯缆绳的材料——比如Kevlar。所以太空殖民者在不远的未来就可以利用该项技术。
除了为太空旅行减少大量成本外,太空电梯还有一个潜在的功能,它提供了一个可以产生大量太阳能发电的方式。我们知道有很大的一部分太阳光在进入地球时会被大气层反射,因此在外太空的太阳能电池板可以比地面上的吸收更多的能量,接着直接向地球辐射电力,完全绕过电力线。关键在于要把英亩大小的太阳能板放置在地球同步轨道的高度,如此的话在未来我们就能以更低廉的成本获取更多的能量。
在日本科幻动漫《机动战士Gundam 00》中描绘了一幅地球完全依赖几个轨道升降机的画面,并且整个星球都依靠太阳能发电作为主要新能源。这样的画面会发生在我们的未来吗?目前,虽然我们有许多技术难关需要克服,比如材料、安全性问题等,但似乎也没有任何有说服力的理由让我们停止建造太空电梯的计划。梦想毕竟是要有的,万一实现了呢。