想搭乘《流浪地球2》太空电梯，什么样的电缆才能“担此重任”？

春节档电影《流浪地球2》为中国的科幻电影又树起了一座里程碑，其中最令人震撼的画面之一便是高达9万千米的太空电梯。实际上，太空电梯已经被人类研究了几十年，并不是白日做梦。国际太空电梯联盟主席斯旺2021年11月就对外宣称，未来太空电梯将作为永久性物流基础设施，成为人员和物资进入太空的新通道。

简单来说，太空电梯就是一条从地球表面延伸至太空的长电缆，其质心位于35786千米高的地球静止轨道（GEO）。电磁飞行器将沿着电缆行进，在地球和太空之间运送乘客和有效载荷。一旦梦想成真，其运输成本将大大低于火箭，并将满足人类在洁净和可再生能源方面的需求。

1895年，俄罗斯科学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基首次提出了这一想法。著名科幻大师阿瑟·克拉克则真正从技术角度描述了这个问题。据英国《每日邮报》报道称，阿瑟·克拉克在1978年出版的《天堂之泉》中曾描写过太空电梯的构想，人们可乘电梯去太空观光并运送货物。他预言：“太空电梯将在人们停止对其嘲笑50年以后被制造出来。”

超耐久碳纳米管带来希望

太空电梯如果能成为未来到达外层太空的运输系统，科学家面临的首要问题就是电缆材质的选择。该电缆必须重量超轻、强度超高，可以承受地球大气层内外所有发射体的撞击。1991年碳纳米管（简称CNT）的问世，使这一幻想变成可能。

2007年，日本率先设立由专家组成的“太空电梯协会”，对此展开研究。2009年，在日本举办的升降机提升设计大赛上，大林组株式会社提出了一个大胆的设计——一个可乘坐30人的“太空电梯”。太空电梯可在赤道附近以时速200千米的速度上升，直接到达3.6万千米高的空间站内。这些设施以太阳能发电来获取能源。

按照设计，太空电梯由两条电缆控制，长度约9.6万千米，相当于地球到月球距离的四分之一。为使电梯能够摆脱地球引力爬升至3.6万千米处的中转站，必须由两条行程相反的电缆来控制，这样太空电梯才能进行人员和物资运输。

大致估算来看，太空电梯中转站和电缆的造价约10万亿日元，相当于建造一条磁悬浮干线的费用。不过，据估计电缆从设计到施工需要约20年时间，其中将电缆运送到地球同步轨道并安装两条行程相反的电缆需要约1年，剩下19年是逐渐将电缆加粗。

制造电缆的材料将使用比铁轻的强力碳纳米管。最初用火箭将长约9.6万千米、最大横截面为48毫米、厚度为0.004毫米、重达20吨的电缆送入地球静止轨道，之后升降机在沿电缆爬升的同时不断反复地将成卷成卷的碳纳米管缠绕在电缆上，直到将电缆增至1.38毫米厚为止。这样的电缆可以承受重达100吨的升降机升降。

不过，目前太空电梯的制造技术尚不成熟，其中最重要的就是电缆。要制造超级长度的电缆，需要使用CNT结晶，但现有的技术只能将CNT制成最薄的3厘米，还需要掌握防止电缆受到陨石、太空垃圾及射线伤害的技术。升降机如果要沿着电缆爬升，就目前技术看只有采用多个滑轮自行移动来实现，但人类尚未掌握为爬升数万千米的升降机提供无线电力的技术。

值得一提的是，2008年，据美国《大众科学》杂志报道，英国新汉普郡的Nanocomp技术公司制造出了世界最大的碳纳米管被单。虽然此碳纳米管被单面积仅18平方英尺（约1.6平方米），不足以充当一床沙滩毯子，但它包含有数百亿个纳米管，使其强度为钢的200倍，但密度下降到三十分之一。而且，其防火和导电性能很好，还可以用于微型电子装置中。这一技术实现，让人类的“天梯梦”又近了一步。

此外，俄罗斯科学院微电子工艺和特别纯净材料研究所还成功地研制出碳纳米管生产新设备。有关专家指出，使用该设备生产的碳纳米管，可用于连接地球和月球之间的运输线。

本世纪内有望变成现实

2003年9月15日，在美国圣达菲召开的国际太空电梯研讨会上，俄罗斯、美国等国家的70多位科学家和工程师对太空电梯进行了深入讨论，最终与会专家一致认为太空电梯有望在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有了较大进展，并有了多种方案。其中，美国电梯港集团公司声称其正在研制的太空电梯可以一次运送30名乘客，在6个小时内抵达10万千米外的太空。

2012年，大林组在社内刊物“季刊大林”中表示，要在2050年完成长约3.6万千米的宇宙电梯，耗时约1周就抵达宇宙基地。

根据大林组的资料显示，这个宇宙电梯的起点将在海上设置专用地球港口，总面积约27万平方公尺，总操作人员约有5000人。地面会以巨大配重建材压住，再运用地球自转的离心力维持稳定。

2018年9月25日，日本曾用货运飞船把一对用于世界首次太空电梯试验的立方体卫星送往国际空间站，接着在国际空间站上释放了这对边长为10厘米的立方体卫星。它们之间用长约10米的缆绳连接，最后尝试把一个像电梯吊箱的容器通过电动机转动的缆绳从一端移动到另一端。这是人类首次在太空中移动缆绳上的容器，为实现太空电梯迈出了重要一步。

“碳设计”公司创始人布拉得雷·爱德华兹预测，太空电梯将于2100年前出现。爱德华兹已证明利用纳米技术可以做出能够支撑太空电梯的超强力电缆。他表示：“建造一个200吨的电梯是个合理的设想而且具有商业价值。一个200吨的太空电梯的大小相当于一架大型的商务飞机。太空电梯的大小完全取决于我们的意愿，不受任何物理层面的限制。”

美国麻省理工学院教授杰夫霍夫曼表示，相信人类在一个合理的时间框架内能够做到，但目前没有能力用碳纳米管制造长电缆。

不过可以相信，科技的潜力是无限的，期待我们有一天沿着超轻超强的碳纳米管电缆，搭乘太空电梯在无垠宇宙中观光旅行。