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文｜觀察未來科技

隨著太空旅游商業化的打開，在太空中生存已經成為看得見的明天。

當然，在太空生存的第一步，是走向太空，盡管當前的載人火箭已經能夠把人類送向太空，但隨之而來的火箭和火箭燃料的費用卻極其昂貴——火箭技術以重新組合原子和分子中的電子為基礎，火箭燃料屬于化學能源，其效率只比古老的內燃發動機高 3 倍，比壁爐中的煤燃燒高 5 倍。若想將物體送入地球軌道，至少要花費 1000 萬美元。

并且，無論使用的是固體燃料還是液態燃料，火箭發射過程都是一個幾乎無法控制的爆炸過程。一個焊接點、一個閥門或一個開關出現故障，都會帶來災難。而此時，如果能夠擁有一部直通太空的電梯，理論上，這部電梯除了能夠完成往返旅程，更是只需要支付實際產生的電費。

面對棘手的成本問題，太空電梯似乎成為了一個良好的解決方法。

一部送入太空的電梯

太空電梯，簡單來說，就是一部可以將人類送入太空的電梯。實際上，自有文字記錄以來，人類就夢想建造出能修通往遙遠太空的設備。就像圣經中巴別塔的故事一樣，《圣經 · 創世記》中講道：" 他們說，來吧，我們要建造一座城和一座塔。塔頂通天。求你使我們得名聲，免得我們分散在全地球上。"

現代人類也曾建造出高聳入云的建筑。當前，全世界最高的建筑是 828 米的迪拜哈利法塔。當然，太空電梯的高度將遠不止于此。畢竟，從地面到近地軌道，就有將近 400 千米的高度。

第一個現代太空電梯的概念，出自航天之父——康斯坦丁 · 齊奧爾科夫斯基。彼時，齊奧爾科夫斯基從剛建成的埃菲爾鐵塔得到啟發，假想了一個高達 35790 千米的結構，這個高度與地球同步軌道的高度相當。地球同步軌道的軌道周期與地球自轉周期相同，因此，從地面上看，物體在太空中的位置是固定不變的。這個時候，如果從地球同步軌道的某一個點向下看，這座城市也將永遠保持在這一個點的正下方，如果這個點停留在軌道上，城市將永遠不會相對于這個點移動。

從如此高的建筑物頂端釋放一個物體，就像人類擁有了一座直通太空的天梯，但是，這個結構產生的極端壓縮是任何材料都無法承受的，因此，齊奧爾科夫斯基的想法漸漸就被人遺忘了。

直到1959 年，另一位蘇聯科學家尤里 · 阿特蘇塔諾夫（Yuri Artsutanov），提出了一個更加可行的想法。他建議從地球同步衛星上放下一根纜繩，同時向遠離地球的方向伸出一個平衡物，以保持受力平衡，這樣纜繩就可以懸停在地球表面的同一位置。太空電梯應保持拉緊狀態，不能收縮或彎曲。

這就是物理學。纜繩的近地端之所以能夠保持拉力，是因為地球具有較大的地心引力，而纜繩的另一端之所以能夠保持拉力，則是因為深深入太空的纜繩頂端連接在小行星上，其產生的離心力同樣為纜繩施加了一個力。這樣我們就擁有了垂直的高塔，可以從地球表面直接延伸到太空。

20 世紀 60 年代和 70 年代，太空電梯，或者說纜繩的構想經過了多次革新。1979 年，因科幻作家阿瑟 · 克拉克（Arthur Clarke）的小說《天堂的噴泉》（The Fountains of Paradise），太空電梯引起了公眾的興趣。克拉克意識到，纜繩應該呈錐形，且與地球同步軌道在同一高度的部分最粗，而兩端應該稍細，這是為了使纜繩在給定橫截面上承受的總重量相等。

之所以要保持總重量相等，是因為在拉緊的狀態下，纜繩上的任何一點都必須能支撐自身的重量。纜繩上所受張力最大的位置，和地球同步軌道在同一高度。克拉克還意識到，隨著纜繩下段的建造，平衡物將往上延伸到 144000 千米的高度，幾乎接近地月距離的一半。

然而，研究這一問題的工程師們發現，已知的材料都無法勝任這一重任。

現代人的巴別塔

一種材料能否用于建造太空電梯，主要取決于它的抗拉強度和密度。衡量其品質的一個重要指標，是它在自身重量下斷裂前所能達到的最大長度。

但顯然，傳統的材料無法成為天梯纜繩的制造材料。當前，橋梁中使用的鋼索，其斷裂長度為 25 千米～30 千米。蜘蛛絲雖然是由蛋白質組成的，但它的抗拉強度和鋼相當，而密度只是鋼的 1/6，所以其斷裂長度為 100 千米，但還不足以達到近地軌道。即便是合成纖維，或許能將人類帶到 300 千米或 400 千米的高度，這個高度足以到達國際空間站，但仍無法將平衡物送入更高的高空。

理想狀態下，這條纜繩還應具有導電功能，因此，電梯的主體結構材料實際上可用作電力系統的一部分。并且，這部電梯必須足夠強大，不僅能夠承受自身的重量，還要能夠承受纜繩頂端錨定的行星給電梯帶來的張力。

這意味著，在搭建太空電梯之前，人類還需要找到一種比現有任何材料更加結實、更加輕便的新型材料。從理論上講，石墨烯以及碳納米管是目前已知的、能夠實現這些要求的唯一材料。

石墨烯與碳納米管同出一源，只不過，石墨烯更加簡單且精妙，石墨烯由單一的碳元素，通過一種化學鍵形成。實際上，當談到某種材料時，多數人都會想到構成這種材料的原子和分子，其中分子是由特定種類和數量的原子構成的。但對石墨烯而言，碳原子的數量多少并不重要。真正使石墨烯區別于金剛石和石墨等其他純碳材料，進而表現出自身特性的關鍵在于碳原子間的結合方式。

從原子層面觀察，單層石墨烯看起來就像是一個由六邊形單位構成的鐵絲網圍欄，每一個碳原子構成了六邊形的每一個頂點。這種六邊形的分布方式使石墨烯中的眾多碳原子能夠分布在一個平面上，并賦子石墨烯神奇的強大特性。石墨烯擁有扁平的二維分子結構，因此單層石墨烯只有一層原子那么厚，而就是一層原子厚度的石墨烯材料卻格外強韌。對石墨烯的應用已經成為 21 世紀材料技術革命的關鍵所在。并且，不需要付出沉重的環境代價。

另一邊，將碳原子連接在一起，卷成直徑只有百萬分之一米的圓柱體，這個圓柱體就是碳納米管。碳納米管很穩定，而且具有良好的導熱性和導電性。當然，讓太空工程師們感到興奮的，是碳納米管的力學性質。碳納米管雖然細小，其強度卻是鈦合金的 50 倍，理論極限值則更強。

碳是元素周期表中第 6 輕的元素，幾乎沒有自重。由于質量輕，所以碳的強度和穩定性都是獨一無二的。目前碳納米管的長度雖然有限，但如果人類能將這項技術放大 10 億倍，或許就能把碳納米管編織成一條能到達太空的碳纜繩。

另外，近年來，科學家還發現了一種叫作碳炔的物質，它是碳的同素異形體，強度甚至超過了目前作為碳納米管基礎的石墨烯。

2013 年，國際宇航科學院（International Academy of Astronautics）發布了一份厚達 350 頁的報告，報告內容為目前為止對太空電梯進行的最詳細的設計研究。最適合用來制作太空電梯纜繩的材料仍然是個未知數，但這份報告設計了一種到 2035 年能攜帶多個 20 噸有效載荷的太空電梯。

太空電梯具有重大的戰略意義，現代人，正在通過太空電梯來實現巴別塔的通天夢想。

太空之行還需要什么？

如果說太空天梯的使用是考慮到太空遠行的巨大成本，那么，與之相適配的另一項重要技術，就是 3D 增材制造技術。

在前往火星執行任務的過程中，宇宙飛船的往返需要 2～3 年，這意味著，如果重要部件損毀，需要有備用配件可以及時替換。從統計學上講，并不是每項重要部件都會出現損毀，但其中某一項出問題卻幾乎是不可避免的。過去，人們只能在太空之行前為所有重要系統帶上備用部件。

這也就意味著，除了發射任務團隊所需的各項功能性設備外，人們還需要發射一個配件儲藏庫，以便在航行過程中為維修提供幫助。這些航天部件大部分永遠都用不到，但卻仍需配備。隨之而來的，就是航天任務的成本和復架程度均會因此顯著提升，這也是這種備用部件供應方式存在的問題。

更多的備用部件意味著我們需要提供更多的存儲空間，最重要的是，重量也隨之變得更大。更大的重量自然需要額外的燃料，從而又使整個系統的重量進一步增加。目前，每千克火箭的發射成本為了 3000~10 000 美元不等，也就是說，所有這些備用部件以及用于儲存和發射它們所需的成本將會很高。

那么，如果不需要攜帶所有這些備用部件，而只需帶上一臺 3D 打印機、原材料，以及所有備用部件的制造方案呢？那將會成就另一番更加便攜且成本更低的太空之旅。這樣一來，為儲存備用部件而預留的負載重量便可大幅削減，要送入太空的 " 物品 " 也相應減少，我們還將同時降低資金投入和不必要的復雜度。宇航員和航天任務的規劃者也將因此獲得更多靈活性。

3D 增材制造已被 NASA 視為開展長期太空探索的必要技術，他們在國際空間站上對增材制造系統進行了太空失重環境下的操作測試。此前，第一代太空級 3D 打印機己經在國際空間站完成了飛行和相關測試。

巧的是，對于太空的 3D 增材制造來說，它們需要用到和太空天梯相同或相近的材料——石墨烯。究其原因，從這種材料的強度、導電性能以及合理摻雜后形成的半導體性能，到尚待開發的如水過濾、發電和存儲等更多奇特性能，利用了石墨烯的 3D 打印機必將開啟無限可能性。

比如，利用大型的 3D 打印機，在月球或火星上建造出一片片居住聚居地。將當地的泥土或風化層與石墨烯結合后，可以讓這些居住聚居地的建筑變得更加牢固，使居住聚居地在兩大星球的惡劣環境中更具生存能力。還可以利用打印出來的嵌入式傳感器，復制出星球的表面結構，對聚居地的內外環境進行監控。甚至就地制造關鍵性的生命維持系統，使人們能夠適應任意著陸點的獨特環境。

這樣一來，科學家既不需要在地球上根據指定著陸點進行預先規劃，使得探索范圍受到極大限制，也不需要預先制造出足以適應任何環境的強大系統，在系統的質量和復雜程度上投入過多精力。在未來，人們只要在任何需要的時候設計和制造自己所需的生命支持系統。

太空生存已經成為可見的明天，如今，人們不僅成功登錄太空中的許多星球，更是在空間站里進行了太空居住，但太空生存想要走向民間，還需要的是，降低巨大的成本和可能的風險。而顯然，相較于國際空間站的成本來說，太空電梯的 100 億～500 億美元的成本是非常低的——對于一個將發射成本降低到 100 美元 / 千克的工具而言，其發射成本只有地面上的火箭的 1/20。

與太空生存帶來的新經濟活動相比，太空電梯和增材制造的成本顯得微不足道，這也推動著科學家朝著更加便捷、效率的太空旅游更近一步。