在兔年新春佳節之際，最新一部國産科幻題材影片《流浪地球2》在萬衆期待中震撼上映，相比于4年前創造了中國科幻全新裡程碑的《流浪地球》，作為續篇的《流浪地球2》更是将硬核科幻的風格拉滿，通過宏大震撼的特效鏡頭持續沖擊着觀衆們的感官.而在電影開篇就出現的直通天際的太空電梯，其功能之強大、特效之逼真、細節之詳實、場面之壯闊，更是成為被影迷們熱議的情節之一。
（來源：《流浪地球2》預告片中出現的太空電梯）
太空電梯這個科幻概念，其實算是劉慈欣作品中的常客了。在家喻戶曉的《三體》中，大劉就詳細地描述過這種幫助人類升入太空的奇特裝置。《流浪地球2》中，劇組更是用具象化的鏡頭語言将之完整地呈現在觀衆眼前。
其實，“太空電梯”本身其實并非隻是一個純科幻概念，更是科學家和工程師們努力實作的一個方向。很多時候，科幻與科學的邊界就是這樣顯得朦胧，人類真的會像科幻小說中描繪得那樣，用坐電梯的方式輕松抵達太空“彼岸”嗎？
被科學家啟迪的科幻作家們
在《流浪地球2》中太空電梯正式亮相銀幕2個月前召開的2022空間技術和平利用（健康）國際研讨會上，國際太空電梯聯盟主席、國際宇航科學院院士彼得·斯旺提出，未來太空電梯作為永久性物流基礎設施，可将物資和人員運到太空，成為進入太空的新通道。而縱觀曆史，雖然太空電梯一直是不少科幻作家津津樂道的話題，并在相當多的科幻作品中以不同形式登場，但在探索“太空天梯”上，以嚴謹著稱的科學家是要遠遠走在小說家之前的。
▲英國作家亞瑟 · 克拉克爵士在科幻小說《天堂的噴泉》中首次描繪了 “登天電梯”
早在1895年，俄羅斯火箭專家與航天先驅齊奧爾科夫斯基在參觀法國巴黎的埃菲爾鐵塔時，就受到鐵塔建設的啟發，提出在地面上建設一座直抵地球同步軌道的超高型鐵塔，以架設電梯的方式實作進入外層空間。他還對這種鐵塔作了詳細設計，并計算出塔的高度為 35786 公裡。齊奧爾科夫斯基這種類似于聖經中通天塔的設計是“太空電梯”的濫觞。不過在經過一系列計算後，他得出的結論是：建設這樣一座超高型鐵塔是不可能實作的。
20 世紀 60 年代，随着人類首次進入太空，建設太空電梯進入太空的想法再次被科學家提了出來。蘇聯工程師尤裡 · 阿爾楚塔諾夫就設想建設一條空地間的“電力火車”來實作太空物流運輸，與齊奧爾科夫斯基單純地從地面用鋼結建構設高塔的想法不同，他提出了從太空向地面建設的方案，即先發射一顆地球同步衛星，然後從衛星上伸出繩索垂到地面上，在地面一端固定後形成“電力火車” 的運作軌道。
1970 年，美國科學家傑羅姆·皮爾森首次将“太空電梯”的概念理論化，并将他的相關論證成果發表在《太空工程學報》上。與蘇聯的“電力火車”方案類似，皮爾森設想從太空的人造飛行器上“垂下”幾條特殊材質、抗拉強度高的纜繩伸到地面，作為太空電梯的主體結構，以這種類似于“拖拽風筝”的方式實作電梯登天。皮爾森這一想法基本奠定了此後太空電梯在學界的演變方向。随後，皮爾森又将這一概念推廣到月球，他在一次學術會議上詳細論證了地月太空電梯的想法，并把太空電梯的主體結構總結為“空間線”的概念，在皮爾森的設想中，未來“空間線”是用凱夫拉纖維或其他高強度材料制成的僅比鉛筆芯稍粗的纖細纜繩。
▲暮年的皮爾森與他的太空電梯設想（圖檔來源：the Washington Post）
雖然皮爾森用了相當複雜的科學理論去論證太空電梯在未來的可行性和其相對于運載火箭的低成本。但自人類進入太空時代以來，火箭才是唯一在技術上可行的登天載具。雖然皮爾森的科學論證得到了學界的廣泛關注，但太空電梯實在是一個遠超越時代的概念，是以他本人還曾被同行用“不如去寫科幻小說”這類的尖酸話語嘲諷。有趣的是，皮爾森的想法卻真正影響到了科幻小說界，當時客居斯裡蘭卡的英國作家亞瑟 · 克拉克爵士就是受到他關于“空間線”的啟發，在1979年發表的科幻小說《天堂的噴泉》中首次描繪了 “登天電梯”。
難以逾越的技術難關
在太空競賽的歲月，人們不遺餘力地提高運載火箭的推力和載荷，以期實作更高效的太空運輸。雖然火箭的建造與營運成本巨大，但相比于太空電梯，火箭最大的優勢在于“技術可行性上”，從液體 / 固體燃料發動機，到氣動力外形再到導航通信，火箭作為一套系統性工程已經被反複實踐了幾十年。盡管皮爾森及其他擁護者不厭其煩地論證太空電梯的便利性與經濟性，但在當時看來，從紙面資料付諸工程實踐，太空電梯本身仍然存在太多無法攻克的難題。
（來源：《流浪地球2》電影海報局部）
最大的挑戰還是電梯的材料問題。從齊奧爾科夫斯基的超高型鐵塔開始，為了抵消地球自轉帶來的影響，保證太空電梯相對地面設施不發生位移，科學家在論證太空電梯時，都把建設地點鎖定在地球同步軌道上。
根據皮爾森設想中的太空電梯，如果使用普通的鋼索作為主體材料，那麼如果從地球同步軌道向地面垂下這樣一根鋼索，不到 9000 米的地方鋼索就會被自身重量拉斷，而地球同步軌道距離地面可有超過 3 萬公裡之遠。而皮爾森在論證“空間線” 這一概念時，隻是模糊地提出用高強度材料作為太空電梯的主體結構。具體使用哪種纖維材料，在當時是從論證階段就無法逾越的難題。
其次，從地球同步軌道通向地面，需要穿過 1000 公裡以上的大氣層，對流層複雜的氣候條件、平流層的随高度增加升高的氣溫等等，加上來自月球和太陽的引力作用，都直接或間接考驗着太空電梯的穩定性。另外，在搭乘電梯奔向太空時，乘客會穿過地球外層的高強度輻射帶，如何保護乘客不受影響則是另一個工程難題。
▲皮爾森最初的太空電梯想象圖（圖檔來源：STAR.INC）
此外，考慮到太空電梯一端需要“系”在地球同步軌道上，另一端就需要在地球赤道附近架設基站，如何為基站選址也存在困難。赤道一帶的陸地多是熱帶雨林，建設電梯基站非常不易，而且從交通運輸成本上考慮也不劃算，那麼就隻能在公海上建設浮動基站，皮爾森及其後來者就提出過類似的想法，但如何在複雜海況下保證如此巨大的電梯基站穩定運作亦是難題。
未來的一線曙光
進入上世紀 90 年代以來，材料科學獲得了一系列重大突破，這讓太空電梯的支援者們看到了解決材料難題的曙光。1993 年，碳納米管誕生，并在兩年後實作了量産，這種強度高（與金剛石類似）、柔韌性好，并可制成纖維的材料，非常适合制作皮爾森提出的“空間線”。作為已知世界上強度最高的材料之一，碳納米管本征拉伸強度高達 100GPa （壓強機關，即吉帕斯卡，1 GPa=1000 000 000Pa）, 機關品質的拉伸強度是鋼鐵的 276 倍，理論上完全可以做到“四兩撥千斤”的效果，非常契合皮爾森“空間線僅比鉛筆芯稍粗”的設想。
當然，以人類目前碳納米管的制作技術，距離将其應用在太空電梯建造上尚有很遠的距離。比如，由于制備碳納米管所用的催化劑容易在高溫環境下失去活性，這就導緻碳納米管的長度受到很大限制。而太空電梯所需要的線纜長度可是要超過 3 萬公裡。不過在碳納米管這個前進方向上，各國都在努力探索，其中大陸在近年來就取得了重大突破。
▲在2010年國家太空電梯會議上，參觀未來太空電梯設計方案的前蘇聯工程師尤裡·阿爾楚塔諾夫（圖檔來源：the space elevator blog）
2013 年，在對超長碳納米管生長機理、結構可控制備、性能表征等方面開展大量研究後，由清華大學化工系教授魏飛所帶領的科研團隊首次制備出世界上首個單根長度達半米以上的碳納米管，創造了新的世界紀錄。這就為未來制造太空電梯所需的線纜創造了可能。魏飛教授就曾談道 ：“我們所制備的碳納米管具有完美的結構、優異的力學性能和宏觀的長度， 目前我們正在從事一米以上碳納米管的制備，下一步我們希望能夠制備出公裡級以上長度并具有宏觀密度的碳納米管。這些工作将為太空電梯的制備開啟一線曙光！”
正是近年來一些尖端科技連續取得重大突破，原本隻是在科學與科幻之間閃轉騰挪的太空電梯開始被科學家帶入工程設計藍圖之中。1999 年，美國國家航空航天局（NASA）的馬歇爾研究中心發表了題為《太空電梯，太空的先進基礎設施》的報告，從官方的視角對太空電梯的可行性進行詳細論證，這是“太空電梯”這一概念首次獲得官方認可。
▲美國國家航空航天局公布的未來太空電梯設想圖（圖檔來源：NASA）
此後 , 從各大宇航官方機構，到衆多有志于投資航天事業的企業，紛紛推出自己的太空電梯計劃，比如俄羅斯就曾計劃與歐洲太空署合作建造太空貨運天梯，美國則專門成立了名為 Lift Port Group 的公司專門進行太空電梯的研發，日本也公布了天梯纜繩設計方案。
當然，目前所提出的這些太空電梯的設計方案，在技術上還存在相當多的難題，但人類畢竟已經在運載火箭之外，開拓了另外一條連接配接太空與地球的思路。相信随着技術不斷疊代發展，相關難點逐漸迎刃而解，像《流浪地球2》中太空電梯向太空運輸人員與物資的震撼場面，或許離我們并不遙遠了。
（來源：《流浪地球2》電影海報局部）