建造太空天梯“卡”在哪儿

        这是运行中的太空天梯概念艺术图。它以阿瑟·克拉克在科幻小说中所描述的概念为基础建造。选自罗杰·劳尼厄斯著《太空探索通史》一书，上海科技教育出版社授权使用。

近期，清华大学在碳纳米管管束纤维上取得新进展，这是否为建造太空天梯提供了现实可能？

1895年，受埃菲尔铁塔的启示，苏联航天科学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基首次提出了太空天梯的概念：在地面上建设一座超高的铁塔，一直建到地球同步轨道，塔内架设天梯，人们便可搭乘天梯进入外太空。此后100多年里，太空天梯的设想不断被科学家和科幻作家丰富完善。

科幻作品里的太空天梯

1978年，英国科幻作家阿瑟·克拉克在《天堂的喷泉》里描绘了太空天梯的技术细节——

运载旅客、货物和燃料的“宇宙密封舱”，将以每小时数百千米的速度沿着管道上升和下降。90%的动力可以在系统中回收，因此运送一名乘客的成本仅需几美元。这是因为当密封舱向地球降落时，其电动机在起到磁力制动作用的同时，还会作为发电机产生电能……

到了科幻电影《流浪地球》中，中国科幻作家刘慈欣对太空天梯的详细设计和宏大展现，给了我们更直观的感受。

这其实是空间站加天梯的综合体。整部天梯从地表向上延伸至9万千米高空，主体部分由几十根特殊材质的缆绳组成，每隔一段有一个环状结构加以固定。

电影画面中，这部太空天梯可分为上下两部分：下半部分是真正意义上的太空天梯，轿厢沿缆绳从地表向上移动，途中经过补给站，最终抵达位于3.6万千米高度的地球同步轨道站（方舟空间站）；地球同步轨道站以上的缆绳则扮演配重角色，从3.6万千米一直延伸至9万千米。

建造太空天梯难在哪

现实中建造太空天梯，难点在哪里？

太空天梯的缆绳是一条数万千米长的绳子，它不是静止的，而是随着同步轨道站一起高速转动。在向心力和离心力的双重作用下，整体拉力很可能超过材料的抗拉极限，导致缆绳断裂。因此，这条绳子必须足够轻盈、结实，还要能经受大气腐蚀以及陨石、太空碎片的撞击。

可见，最重要也最难的，就是找到合适的缆绳材料。科学家计算过，若采用钢铁材质，缆绳在不到20千米处就会被自重拉断——而太空天梯需要的长度接近9万千米。因此，寻找强度高、密度轻的新型材料成了首要任务。

目前最有可能满足要求的材料是碳纳米管——由碳原子组成的管状结构纳米材料。这种超强纤维的拉伸强度是钢铁的100倍，密度仅为钢的1/6，理论上可以担此重任。

实现太空天梯梦还有多远

近年来，碳纳米管材料的强度不断取得突破。例如，我国自主研发的SYT80（T1200级）超高强度碳纤维，其拉伸强度约为普通钢材的10倍，密度仅为钢材的1/4。根据美国国家航空航天局提出的标准，制备太空天梯缆绳所需的材料比强度（强度与密度之比）至少要达到约7.5×106N·m/kg，即7.5GPa/（g/cm3），而T1200级碳纤维的比强度与之大约差了2倍。

此外，在长度方面，目前制备出的最长碳纳米管单根长度仅为“米级”，离数万千米的要求相差甚远，需要通过碳纳米管“焊接”等方法制成连续纤维。

清华大学制备出的强度高达80GPa的碳纳米管管束纤维已接近理论值，但离制备出上万千米长且结构一致的纤维，仍有相当长的路要走。

除材料外，建造太空天梯还面临诸多巨大挑战：升降舱到达顶点需要数天，能量从何而来？缆绳在轨道上的动力学稳定、空间碎片撞击、原子氧侵蚀……无一不是世界级难题。

（本文摘编自《触手可及的未来科技》一书，经山东科学技术出版社及本文作者授权。作者  魏飞 系清华大学化学工程系教授）