太空電梯的原理是什麼?到底有沒有可行性呢?

2023-03-30 14:47:12

電梯是現代社會一種非常普遍而又快捷的運輸方式，在高樓林立的城市裡面，要想爬個六七樓簡直都要崩潰了，而早在19世紀末有科學家就提出建造太空電梯的想法，從地球將人類送往空間站，從理論上來說是可行的，但對於太空電梯的建造結構就是一個不小的難題，太空電梯到底可不可行呢？

太空電梯是什麼？

太空電梯是人類構想的一種通往太空的設備。與普通電梯類似，不同的是，它的作用並不是讓乘客往返於樓層之間，而是將他們送入距地球約3.6萬公裡的一座空間站。隨著人類太空探索步伐的加快，科學家考慮設計一種太空電梯，實現外太空和地球之間更便捷的物資交換。

太空電梯的起源：

太空電梯的想法可以追溯回1895年，當時俄羅斯科學家Konstantin Tsiolkovsky受到當時剛建成的艾菲爾鐵塔的啟發，他開始思考，如果能夠把鐵塔建至35800公裡的高度，就會直達地球靜止軌道，那麼就不需要火箭也可以把飛船送入太空。他的概念跟我們現在的想法差不多。科幻小說家克拉克在《天堂的噴泉》一書中也提到了主人公修建了一座太空電梯，更是激發了人們對太空電梯的極大興趣。

2002年，NASA的Brad Edwards鼓勵同僚重新思考現代版的太空電梯。Brad Edwards在報告中指出，一個可行的太空電梯應當包括四個部分：纜繩、錨、平衡錘和升降機。電梯部分由耐用的纜繩和機械升降機組成，從地面一直延伸到太空中。升降機和普通電梯一樣，可以承載許多噸的設備儀器和人，沿著纜繩來回往返。在地球地面有一個非常重的錨把纜繩牢牢地束縛在地球上，在頂端則是一個平衡錘支撐著纜繩，平衡錘可以當成一個空間站。

太空電梯的原理：

從理論上來說，太空電梯是可行的，而且比火箭和宇宙飛船更節能，小孩拿著一個細繩，一端拴著重物，以手為軸心甩動繞圈，在靠近手心的一端繩子上有一隻螞蟻，在樹甩動的過程中不停地向重物的一端爬，當螞蟻達到那一端後，既達到了一定的高度，又擁有了轉動的速度。這就是太空電梯的原理，發射火箭的推動力包括兩個方向，一個是垂直上升，一個是與地球表面平行的橫向加速，太空電梯就像繩子上的螞蟻，手部的軸心就像自轉的地球，只要順著軌道往高處爬升，達到頂端時藉助地球的自轉，就擁有了平行地表的轉動速度，比火箭節省了一個橫向的推動力。

太空電梯的建築構造：

太空電梯主要包括四個結構，地表基座、線纜軌道、太空艙、升降艙。升降的方式和普通的電梯類似，基座位於地球表面，穩固線纜的部分在地表之下，最頂層是電梯的出入口，太空艙是漂浮在近地軌道上的飛行器，線纜軌道連接基座和太空艙，升降艙是運載人和貨物的空間。建造線纜軌道需要重量強、廉價、堅韌的材料，硬度比目前可造出來的材料都要更強，石墨烯和納米鑽石線是比較有前途的兩種材料，但強度仍然不夠，線纜需要承受大氣腐蝕、輻射、隕石的撞擊。

太空電梯將是人類歷史上體量最大、建造難度最高的單體建築，任何一次線纜的斷裂都可能給人類或者太空帶來難以彌補的傷害，所以建造過程必須一次成功。在材料和建造技術都還不成熟時，月球可以成為建造太空電梯的試驗場，月球的重力更小，降低了材料強度的要求，防彈纖維就能夠應用在月球太空電梯的建造中，還可以在小行星採礦來獲取能源。

太空電梯的可行性：

美國《大眾科學》雜誌的麗貝卡·博伊爾表示，太空遊客將搭乘類似電梯車廂的升降艙進入太空，升降艙系在碳納米管制造的纜繩上；太空電梯纜繩全長為地月距離的四分之一，約9.6萬公裡，與太空中的一個配重相連。根據大林組的初步計劃，升降艙可容納30名遊客，時速約合201公裡。安裝在軌道站上的太陽能電池板負責為太空電梯提供電量。搭乘這種電梯，遊客需要一周多時間便可進入太空。

有專家曾經指出，納米碳管還只是毫米級製品，距實用差距甚遠；向3萬多公裡外的太空發射各種電梯建設材料花費巨大；這種「太空電梯」一旦因嚴重事故崩塌，空中和地面的損失也將十分驚人。專家們認為，面對這些難題，「天空電梯」短時間內恐怕很難開工。

還有，當太陽風向太空電梯施加壓力時，來自月球和太陽的重力作用將使繩索變得搖擺不定。這將有可能使太空電梯搖擺造成太空交通障礙，太空電梯也可能會碰撞上人造衛星或者太空垃圾殘骸，這樣的碰撞將導致繩索斷裂或太空電梯失事。為此，太空電梯必須在內部建造推進器，以穩定太空電梯致命的搖擺振動，但這又將增加電梯建造的難度和建造維護成本。更多精彩文章關注微信公眾號：iwuyiqu