文｜觀察未來科技

隨著太空旅游商業(yè)化的打開，在太空中生存已經(jīng)成為看得見的明天。

當(dāng)然，在太空生存的第一步，是走向太空，盡管當(dāng)前的載人火箭已經(jīng)能夠把人類送向太空，但隨之而來的火箭和火箭燃料的費(fèi)用卻極其昂貴——火箭技術(shù)以重新組合原子和分子中的電子為基礎(chǔ)，火箭燃料屬于化學(xué)能源，其效率只比古老的內(nèi)燃發(fā)動機(jī)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(fèi)1000萬美元。

并且，無論使用的是固體燃料還是液態(tài)燃料，火箭發(fā)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(guān)出現(xiàn)故障，都會帶來災(zāi)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(chǎn)生的電費(fèi)。

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(yuǎn)太空的設(shè)備。就像圣經(jīng)中巴別塔的故事一樣，《圣經(jīng)·創(chuàng)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(xiàn)代人類也曾建造出高聳入云的建筑。當(dāng)前，全世界最高的建筑是828米的迪拜哈利法塔。當(dāng)然，太空電梯的高度將遠(yuǎn)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(xiàn)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(fā)，假想了一個高達(dá)35790千米的結(jié)構(gòu)，這個高度與地球同步軌道的高度相當(dāng)。地球同步軌道的軌道周期與地球自轉(zhuǎn)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(yuǎn)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(yuǎn)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(jié)構(gòu)產(chǎn)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(lián)科學(xué)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(wèi)星上放下一根纜繩，同時向遠(yuǎn)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(yīng)保持拉緊狀態(tài)，不能收縮或彎曲。

這就是物理學(xué)。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(chǎn)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(jì)60年代和70年代，太空電梯，或者說纜繩的構(gòu)想經(jīng)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?？死艘庾R到，纜繩應(yīng)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(yīng)該稍細(xì)，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(tài)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?？死诉€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(fā)現(xiàn)，已知的材料都無法勝任這一重任。

現(xiàn)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(qiáng)度和密度。衡量其品質(zhì)的一個重要指標(biāo)，是它在自身重量下斷裂前所能達(dá)到的最大長度。

但顯然，傳統(tǒng)的材料無法成為天梯纜繩的制造材料。當(dāng)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(zhì)組成的，但它的抗拉強(qiáng)度和鋼相當(dāng)，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(dá)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(dá)國際空間站，但仍無法將平衡物送入更高的高空。

理想狀態(tài)下，這條纜繩還應(yīng)具有導(dǎo)電功能，因此，電梯的主體結(jié)構(gòu)材料實際上可用作電力系統(tǒng)的一部分。并且，這部電梯必須足夠強(qiáng)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(xiàn)有任何材料更加結(jié)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?qū)崿F(xiàn)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(xué)鍵形成。實際上，當(dāng)談到某種材料時，多數(shù)人都會想到構(gòu)成這種材料的原子和分子，其中分子是由特定種類和數(shù)量的原子構(gòu)成的。但對石墨烯而言，碳原子的數(shù)量多少并不重要。真正使石墨烯區(qū)別于金剛石和石墨等其他純碳材料，進(jìn)而表現(xiàn)出自身特性的關(guān)鍵在于碳原子間的結(jié)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(gòu)成的鐵絲網(wǎng)圍欄，每一個碳原子構(gòu)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(qiáng)大特性。石墨烯擁有扁平的二維分子結(jié)構(gòu)，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(qiáng)韌。對石墨烯的應(yīng)用已經(jīng)成為21世紀(jì)材料技術(shù)革命的關(guān)鍵所在。并且，不需要付出沉重的環(huán)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(wěn)定，而且具有良好的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性。當(dāng)然，讓太空工程師們感到興奮的，是碳納米管的力學(xué)性質(zhì)。碳納米管雖然細(xì)小，其強(qiáng)度卻是鈦合金的50倍，理論極限值則更強(qiáng)。

碳是元素周期表中第6輕的元素，幾乎沒有自重。由于質(zhì)量輕，所以碳的強(qiáng)度和穩(wěn)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(shù)放大10億倍，或許就能把碳納米管編織成一條能到達(dá)太空的碳纜繩。

另外，近年來，科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)了一種叫作碳炔的物質(zhì)，它是碳的同素異形體，強(qiáng)度甚至超過了目前作為碳納米管基礎(chǔ)的石墨烯。

2013年，國際宇航科學(xué)院（International Academy of Astronautics）發(fā)布了一份厚達(dá)350頁的報告，報告內(nèi)容為目前為止對太空電梯進(jìn)行的最詳細(xì)的設(shè)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(shù)，但這份報告設(shè)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(zhàn)略意義，現(xiàn)代人，正在通過太空電梯來實現(xiàn)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(yuǎn)行的巨大成本，那么，與之相適配的另一項重要技術(shù)，就是3D增材制造技術(shù)。

在前往火星執(zhí)行任務(wù)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(tǒng)計學(xué)上講，并不是每項重要部件都會出現(xiàn)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(tǒng)帶上備用部件。

這也就意味著，除了發(fā)射任務(wù)團(tuán)隊所需的各項功能性設(shè)備外，人們還需要發(fā)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(yuǎn)都用不到，但卻仍需配備。隨之而來的，就是航天任務(wù)的成本和復(fù)架程度均會因此顯著提升，這也是這種備用部件供應(yīng)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(tǒng)的重量進(jìn)一步增加。目前，每千克火箭的發(fā)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(fā)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(jī)、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?zhèn)溆貌考A(yù)留的負(fù)載重量便可大幅削減，要送入太空的 “物品”也相應(yīng)減少，我們還將同時降低資金投入和不必要的復(fù)雜度。宇航員和航天任務(wù)的規(guī)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(shù)，他們在國際空間站上對增材制造系統(tǒng)進(jìn)行了太空失重環(huán)境下的操作測試。此前，第一代太空級 3D 打印機(jī)己經(jīng)在國際空間站完成了飛行和相關(guān)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(qiáng)度、導(dǎo)電性能以及合理摻雜后形成的半導(dǎo)體性能，到尚待開發(fā)的如水過濾、發(fā)電和存儲等更多奇特性能，利用了石墨烯的 3D 打印機(jī)必將開啟無限可能性。

比如，利用大型的3D打印機(jī)，在月球或火星上建造出一片片居住聚居地。將當(dāng)?shù)氐哪嗤粱蝻L(fēng)化層與石墨烯結(jié)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(huán)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(fù)制出星球的表面結(jié)構(gòu)，對聚居地的內(nèi)外環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控。甚至就地制造關(guān)鍵性的生命維持系統(tǒng)，使人們能夠適應(yīng)任意著陸點的獨特環(huán)境。

這樣一來，科學(xué)家既不需要在地球上根據(jù)指定著陸點進(jìn)行預(yù)先規(guī)劃，使得探索范圍受到極大限制，也不需要預(yù)先制造出足以適應(yīng)任何環(huán)境的強(qiáng)大系統(tǒng)，在系統(tǒng)的質(zhì)量和復(fù)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(shè)計和制造自己所需的生命支持系統(tǒng)。

太空生存已經(jīng)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(jìn)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(fēng)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(fā)射成本降低到100美元/千克的工具而言，其發(fā)射成本只有地面上的火箭的1/20。

與太空生存帶來的新經(jīng)濟(jì)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(xué)家朝著更加便捷、效率的太空旅游更近一步。