宇宙电梯，从科幻到现实

最近两天，中国的神舟十二号载人航天飞船升空并与天和核心舱成功对接，三名宇航员顺利进入我国自主研发的空间站，实现了我国航天发展的又一个里程碑。借此机会，我们聊一聊相对于空间站的另一个空间造物——宇宙电梯。

神舟十二号

宇宙电梯，就是大家经常在科幻片里或者小说里看到的那种连接地面和宇宙的非常高的电梯。最早提出这个设想的是被称作人类宇宙航行之父的俄国著名航天航空学家，康斯坦丁•齐奥尔科夫斯基。他在126年前，也就是1895年去参观法国埃菲尔铁塔时，产生了宇宙电梯的想法。康斯坦丁绝对是个神人，这个人从来没有上过学，他所有的知识都是自学的，而且他这一辈子大部分时间都住在俄罗斯郊区的一个小木屋里，结果就在这个小木屋里算出了第一宇宙速度，并设计了最初的火箭模型。

康斯坦丁对宇宙特别感兴趣，而且非常主张太空殖民。他有句名言：“地球是人类的摇篮，但是人类不能一直生活在摇篮里。”康斯坦丁坚定地认为人最终会成为像神一样的存在，可以操控天、操控地、操控时间甚至操控万物，他坚信这是一种必然结果。

康斯坦丁

康斯坦丁当时提出宇宙电梯这个想法的时候，火箭都还没有问世，所以也就停留在这么一个想法阶段了。直到65年后的1960年，俄罗斯的一个工程师——尤里•阿尔楚塔诺夫，就把康斯坦丁的这个宇宙电梯理论具体化，提出了一个可能实施的具体方案。按照常识，我们通常建电梯感觉应该是从地球往上建，但尤里•阿尔楚塔诺夫说应该是从太空往下建造。在距离地面36,000公里的地方有一个圆形的轨道——静止轨道，在这个轨道运行的卫星相对地球表面静止，也就是说卫星和地球旋转速度一致。将卫星发射到静止轨道后，从卫星上伸下一根绳子，在绳上挂一重物垂到地球上。理论上只要绳子足够长，就一定会垂到地面。垂到地面上后，就在地面上把这一端固定下来，这样地球就和卫星通过绳子连起来了。

宇宙电梯

但是有一个问题，当重物垂下来之后，卫星和重物整体的重心就会向下移动，从而离开了静止轨道。为了保证卫星始终保持在静止轨道上，就需要从卫星上朝着与地球相反的方向也伸出一根绳子，这跟绳子与垂到地面上的绳子的长度保持一致，也是36,000公里。但是这72,000公里的绳子长度还远远不够，因为这根绳索垂直在地面上是处于一个平衡状态，你一扯它就会掉下来。所以为了不让它掉下来，从卫星往宇宙伸出去的绳子得继续延长28,000公里，也就是说地球到卫星的绳子长36,000公里，卫星伸往宇宙的绳子有64,000公里，绳子总共100,000公里长。

地球静止轨道

将这跟绳子置好，用一个升降机攀岩这跟绳索，就完成了一个宇宙电梯的建造。宇宙电梯建成之后，理论上可以承载100吨的货物。这个宇宙电梯从理论上看比较简单，所以很多国家就已经开始尝试做这件事情，结果30年过去了，都没有任何国家取得任何进展。直到1991年，有一个国家取得了突破性的进展，就是日本。

为什么除了日本之外的其他国家没有取得任何突破呢？这就要提到建造宇宙电梯中最核心的一个问题——绳索的材料。一般的钢铁是不行的，钢铁的密度太大从而导致它的自重非常大，长到一定程度的时候，由于自重就会自行断裂。就像人，要是长得太高，腿就会受不了。但是树可以，树长100多米都没问题。所以理论上就要找到一种比木头还轻，但要比钢铁还重的这样一种金属。从1960年到1990年这三十年都花费在找这样的一种材料上，但都无功而返。直到1991年，日本筑波NEC实验室的一个物理学家——饭岛澄男，在碳纤维中发现了纳米碳纤维管。这个纳米碳纤维管自然生成，但是却不符合自然规律，所以被称为“超自然材料”，就是说按理来说自然界是不应该存在的，但它偏偏出现了。这就有很多的联想了，可能是外星人留在这的，也可能是以前高度文明留下的残骸之类的。

碳纳米管

这个材料的特点——超轻、超硬并且有一定的柔韧性，可以用碳纤维管制成头发丝细的碳丝，一根就能吊起一辆汽车，几捆缠在一起的强度可以达到宇宙电梯要求的强度的一倍以上。但是，该材料目前无法量产，它属于分子结构，理论上就要一个分子一个分子连起来，以目前的技术，十万公里的长度遥遥无期。日本现在似乎觉得这个事情希望变大了，他们可能在这个技术上有非常大的突破了。尤其是日本著名的建筑公司——大林组，他们在主页上已经刊登出来，要在2050年实现宇宙电梯的建造。大林组是一个拥有一百三十年历史的建筑公司，特别擅长建高塔，晴空塔、六本木新城都是它们建的。

晴空塔

话说回来，宇宙电梯这么难建造的一个东西为什么要去实现它呢？做成了之后到底有多大好处呢？其实实现宇宙电梯的唯一目的就是期待火箭。我们现在地球上的人或物想要离开地球，唯一方法就是搭载火箭。但是火箭存在很多问题，第一就是发射成本太高。现在的火箭比以前便宜多了，但是发射一次也得好几亿美金。为什么这么贵呢？因为火箭都是一次性的，用过之后就无法再使用了。当然现在马斯克的SpaceX公司发射的火箭能够回收重复使用，成本虽然下降了很多，但也得上亿美金。那么1亿美金究竟算不算贵呢？波音787，一架3亿美金，比火箭贵。但是飞机能使用上万次，火箭只能使用一次。

火箭存在的第二个问题就是不安全。即使到现在，火箭发射的失败率还是挺高的。别看近些年我国的火箭发射成功率高，但是之前还是会有好几次的失败。所以使用火箭来载人的话，谁也不愿冒这个风险。我国这两天发射的神舟十二号载人飞船搭载的是技术很成熟的长征2F遥十二运载火箭，但即便很成熟了，我在观看直播的时候心里也会莫名的紧张。

第三个问题就是火箭不环保。之前有说火箭是一次性的，升上空之后，就扔在太空里形成太空垃圾，这些垃圾围着地球高速旋转，所以保不齐什么时候撞到卫星或者其他一些航天器，而且这些垃圾也会互撞。因此宇宙垃圾现在也成为一个很大的课题。

再一个就是火箭的效率太低。火箭要把三十吨的物资发送到宇宙，需要消耗两千吨的燃料，属于效率最低的交通工具了。综上所述，火箭就是这样一个成本高、不安全、破坏环境和低效率的一个非常不合理的交通工具。于是人们就想找到一种能够取代火箭的方案，宇宙电梯就是一个非常好的选择。

航天飞机发射

宇宙电梯第一个好处就是特别安全，人们沿着绳子进行升降，不会存在什么太大的危险，所以就会有更高的机会将人送到宇宙中。第二就是成本低。宇宙电梯不消耗化学燃料，使用电进行驱动。但是电是要从地球输送到升降机上的，而且不能通过有线的方式输送，只能进行无线传输。这个无线传输也是大林组说要解决的一个课题，他们要在宇宙电梯建造之前实现十万公里的远程输电。这个远程输电的技术难度可不低，不说十万公里，如果能实现两万公里的远程输电，全球任何地方都可以无线输电了。话说回来，给升降机远程输电，它就会自己往上爬这根绳子。一开始的时候是用电的，随着时间推移当速度越来越快之后，它的动能不断地转化为势能，当超过静止轨道（36,000公里的位置）之后，就可以利用离心力将其甩出去了，所以后半程几乎不用电。返回的时候也是前半程需要用电，跑着跑着就变成了自由落体运动，到最后给它减速就可以了。所以耗电量并没有想象的那么多。

那么这个升降机的速度能有多快呢。现在大林组预计速度能达到200公里每小时，但是即使时速是200公里，要从地面上跑到10万公里尽头，需要500小时，也就是20天。按照大林组的计算，宇宙电梯建好之后，宇宙旅行的费用可以降到几百美金，也就是说也能比我们一般的旅游都还便宜。所以不论怎么看，宇宙电梯都应该是努力的方向。

说了这么多，那么建宇宙电梯得花多少钱呢？根据日本宇宙电梯协会计算，建一台宇宙电梯预计要100亿美金，看起来并不是特别贵。一旦建好之后，几年就可以回本。这个价钱比尔盖茨就能建十台，而且日本建一个磁悬浮列车的全线轨道，就得花费这个价钱的十倍，所以这个价钱怎么看都是划算的。

宇宙电梯

大林组的负责人在采访的时候说，他们在2030年的时候就要开始施工这个项目。所以在2030年之前要解决三个课题：（1）做10万公里长的碳纤维管材料；（2）测试这10万公里长的碳纤维管材料的强度；（3）实现10万公里的远程无线输电。要是2030年之前真的能实现无线传输电源，那我们的生活就会简洁、方便很多，家里没有任何电线，手机也不用充电，新能源车也不用担心续航问题。

大林组为什么要这么积极地做这么一件事呢？原因是他们觉得宇宙电梯的商业性非常好，如果真的就花几百美金就可以到宇宙中玩一趟，我想全世界大部分的人都想去一次。而且如果哪个城市有这么一个建筑在这摆着，绝对会成为这个城市的标杆性建筑，成为一道风景线。

宇宙电梯还有一个重大的意义就是作为宇宙移民来说是一个非常重要的基础设施。人类以后要开发宇宙、移民火星、建造宇宙城市、太空堡垒等，都不能靠火箭来完成，因为需要输送大量的建筑物资，只能由宇宙电梯来实现。另外，如果能在地球上实现宇宙电梯的话，就很容易移植到火星、月球上，而且在这种重力小的星球上更容易建造，因为对材料的要求就会低很多。如果这些星球上都有一座宇宙电梯的话，我们到这些星球上也会更加容易，至少不用考虑降落的问题，直接飞到电梯的一端，与其对接，人坐着电梯到星球表面就行了，非常方便。

太空移民

另外还有一个值得让人期待的是方便把宇宙中的物质带回地球。现在要把宇宙中的物质带回地球得靠宇宙飞船，比如美国的阿波罗飞船以及我国的嫦娥五号探测器都带回了月球上的物质，但是承载量非常小。但是要是有宇宙电梯就可以大块大块地往回带。其实在地球周围的空间里有大量的资源，都在陨石上。咱们地球上原先也有大量的资源，但是由于重力，这些东西都渐渐沉到地核里去了，现在表面上都是一些轻的东西，重金属什么的都很少了。但是陨石不一样，上面有什么就是什么，不会往下沉。目前发现的一些掠过我们地球的小行星，上面全是白金、钻石等。只要拦截一个，从宇宙电梯上运下来，那可就发达了。

陨石

但是宇宙中的东西运回地球来归谁呢？2015年，美国通过了一个法案——《商业宇宙开发竞争法案》，该法案规定，在宇宙中个人开发的资源或法人开发的资源，都归个人或法人所有。这个法律的根据就是《国际法》中的一个莲花原则。莲花原则——1926年，有一艘法国的船开往土耳其，在靠近土耳其港口与一艘土耳其的船相撞，将后者撞翻，船上无人生还。法国的船靠港后，土耳其的警察就上船将法国人抓了。于是国际法庭遇到一个难题，这些法国的船员能不能接受当地的审判，适不适用土耳其的法律。最后国际法庭给出一个仲裁结果，可以适用。这个后来就被称作莲花法则，因为那艘法国的船叫莲花号。其实莲花原则就一句话，国际法中没有禁止的事情，各个国家就可以根据自己国家可以控制的范围进行管辖。《宇宙条约》有规定，天体不可以被占有，任何国家不能说占有一个星球。但是星球上的资源并不属于天体，所以资源是可以被个人或法人所有。

所以说宇宙电梯就是这么一个非常有梦想的东西。