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文｜觀察未來(lái)科技

隨著太空旅游商業(yè)化的打開(kāi)，在太空中生存已經(jīng)成為看得見(jiàn)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(lái)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(dòng)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(wàn)美元。

并且，無(wú)論使用的是固體燃料還是液態(tài)燃料，火箭發(fā)射過(guò)程都是一個(gè)幾乎無(wú)法控制的爆炸過(guò)程。一個(gè)焊接點(diǎn)、一個(gè)閥門或一個(gè)開(kāi)關(guān)出現(xiàn)故障，都會(huì)帶來(lái)災(zāi)難。而此時(shí)，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(shí)際產(chǎn)生的電費(fèi)。

面對(duì)棘手的成本問(wèn)題，太空電梯似乎成為了一個(gè)良好的解決方法。

一部送入太空的電梯

太空電梯，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是一部可以將人類送入太空的電梯。實(shí)際上，自有文字記錄以來(lái)，人類就夢(mèng)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(shuō)，來(lái)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(gè)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(shí)，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(gè)高達(dá) 35790 千米的結(jié)構(gòu)，這個(gè)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(gè)時(shí)候，如果從地球同步軌道的某一個(gè)點(diǎn)向下看，這座城市也將永遠(yuǎn)保持在這一個(gè)點(diǎn)的正下方，如果這個(gè)點(diǎn)停留在軌道上，城市將永遠(yuǎn)不會(huì)相對(duì)于這個(gè)點(diǎn)移動(dòng)。

從如此高的建筑物頂端釋放一個(gè)物體，就像人類擁有了一座直通太空的天梯，但是，這個(gè)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的極端壓縮是任何材料都無(wú)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(gè)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(shí)向遠(yuǎn)離地球的方向伸出一個(gè)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?yàn)榈厍蚓哂休^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?yàn)樯钌钊胩盏睦|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(gè)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(shuō)纜繩的構(gòu)想經(jīng)過(guò)了多次革新。1979 年，因科幻作家阿瑟 · 克拉克（Arthur Clarke）的小說(shuō)《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(shí)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?yàn)樵诶o的狀態(tài)下，纜繩上的任何一點(diǎn)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(shí)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(wèn)題的工程師們發(fā)現(xiàn)，已知的材料都無(wú)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(gè)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(zhǎng)度。

但顯然，傳統(tǒng)的材料無(wú)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(zhǎng)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(zhǎng)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(gè)高度足以到達(dá)國(guó)際空間站，但仍無(wú)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(shí)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(lái)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(shí)、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(guò)，石墨烯更加簡(jiǎn)單且精妙，石墨烯由單一的碳元素，通過(guò)一種化學(xué)鍵形成。實(shí)際上，當(dāng)談到某種材料時(shí)，多數(shù)人都會(huì)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(duì)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(lái)就像是一個(gè)由六邊形單位構(gòu)成的鐵絲網(wǎng)圍欄，每一個(gè)碳原子構(gòu)成了六邊形的每一個(gè)頂點(diǎn)。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(gè)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(duì)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(jià)。

另一邊，將碳原子連接在一起，卷成直徑只有百萬(wàn)分之一米的圓柱體，這個(gè)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(méi)有自重。由于質(zhì)量輕，所以碳的強(qiáng)度和穩(wěn)定性都是獨(dú)一無(wú)二的。目前碳納米管的長(zhǎng)度雖然有限，但如果人類能將這項(xiàng)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(lái)，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(guò)了目前作為碳納米管基礎(chǔ)的石墨烯。

2013 年，國(guó)際宇航科學(xué)院（International Academy of Astronautics）發(fā)布了一份厚達(dá) 350 頁(yè)的報(bào)告，報(bào)告內(nèi)容為目前為止對(duì)太空電梯進(jìn)行的最詳細(xì)的設(shè)計(jì)研究。最適合用來(lái)制作太空電梯纜繩的材料仍然是個(gè)未知數(shù)，但這份報(bào)告設(shè)計(jì)了一種到 2035 年能攜帶多個(gè) 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(guò)太空電梯來(lái)實(shí)現(xiàn)巴別塔的通天夢(mèng)想。

太空之行還需要什么？

如果說(shuō)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(xiàng)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(guò)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(shí)替換。從統(tǒng)計(jì)學(xué)上講，并不是每項(xiàng)重要部件都會(huì)出現(xiàn)損毀，但其中某一項(xiàng)出問(wèn)題卻幾乎是不可避免的。過(guò)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(duì)所需的各項(xiàng)功能性設(shè)備外，人們還需要發(fā)射一個(gè)配件儲(chǔ)藏庫(kù)，以便在航行過(guò)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(lái)的，就是航天任務(wù)的成本和復(fù)架程度均會(huì)因此顯著提升，這也是這種備用部件供應(yīng)方式存在的問(wèn)題。

更多的備用部件意味著我們需要提供更多的存儲(chǔ)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(gè)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(shuō)，所有這些備用部件以及用于儲(chǔ)存和發(fā)射它們所需的成本將會(huì)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(tái) 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(huì)成就另一番更加便攜且成本更低的太空之旅。這樣一來(lái)，為儲(chǔ)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(shí)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(kāi)展長(zhǎng)期太空探索的必要技術(shù)，他們?cè)趪?guó)際空間站上對(duì)增材制造系統(tǒng)進(jìn)行了太空失重環(huán)境下的操作測(cè)試。此前，第一代太空級(jí) 3D 打印機(jī)己經(jīng)在國(guó)際空間站完成了飛行和相關(guān)測(cè)試。

巧的是，對(duì)于太空的 3D 增材制造來(lái)說(shuō)，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?yè)诫s后形成的半導(dǎo)體性能，到尚待開(kāi)發(fā)的如水過(guò)濾、發(fā)電和存儲(chǔ)等更多奇特性能，利用了石墨烯的 3D 打印機(jī)必將開(kāi)啟無(wú)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(lái)的嵌入式傳感器，復(fù)制出星球的表面結(jié)構(gòu)，對(duì)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(diǎn)的獨(dú)特環(huán)境。

這樣一來(lái)，科學(xué)家既不需要在地球上根據(jù)指定著陸點(diǎn)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(guò)多精力。在未來(lái)，人們只要在任何需要的時(shí)候設(shè)計(jì)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(jiàn)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(xiǎn)。而顯然，相較于國(guó)際空間站的成本來(lái)說(shuō)，太空電梯的 100 億～500 億美元的成本是非常低的——對(duì)于一個(gè)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(lái)的新經(jīng)濟(jì)活動(dòng)相比，太空電梯和增材制造的成本顯得微不足道，這也推動(dòng)著科學(xué)家朝著更加便捷、效率的太空旅游更近一步。