《流浪地球2》的太空電梯已被這名實體學家研究了20年，他有話要說

《流浪地球2》中的太空電梯系統是科幻小說中經常出現的“未來基建”之一，不過這種看似虛幻的裝置确實是一群科學家的正經課題。加拿大瓦尼爾學院（Vanier College）的實體學家 Stephen Cohen 對此很有話說：“我已經投身于太空電梯研究近 20 年了，盡管還有許多問題等待解決，但是我們距離夢想成真已經越來越近了。”（本文無劇透）

原作 Stephen Cohen（加拿大瓦尼爾學院實體學教師）

翻譯 綦懿

編輯 魏潇

太空電梯（Space elevator）常常被斥為科幻白日夢，但我相信它在不久之後就能實作——或許就在未來二三十年的時間内。縱觀自己作為航空航天工程師和實體教授的事業生涯，我始終在思考一個“從地球延伸到太空的電纜”的構想，人員和貨物可以沿着它輕松往返。而在近些年，我和其他研究人員已經找到了改良太空電梯的設計并使其能夠成為現實的新方法。

建造太空電梯有許多理由，其中最顯而易見的一個原因是能極大節約能源和成本。相較于火箭來說，太空電梯是一種更加實際可行的進入運作軌道的方法。而另一個常常被忽視的原因則是易用性：“太空任務”一詞将會被“運輸”代替，因為進入太空将更加正常化并且幾乎獨立于天氣條件的影響。相較于目前“太空任務”中宇航員在每次發射中都需要冒着極大生命危險，“運輸” 人員将會更加安全。太空電梯可以成為連接配接整個太陽系的橋梁：在電梯較低的位置釋放貨物載荷使其繞地球運作，而在更高的位置貨物則繞太陽運作，而這些都不需要燃料幫助。

盡管我可能看起來像是太空電梯的擁護者，但實際上我隻是很樂意研究它們的力學機制。在一個充滿問題的世界中，思考這樣的項目使我能去設想我們已然成為這個星球的責任看管人的場景。

我的故事在 2004 年展開：那時候的我隻是坐在 Arun Misra 教授辦公室的一名碩士研究所學生，期待着他能夠指導我的論文。Misra 那時是加拿大麥吉爾大學（McGill University）機械工程系的頂尖航天專家，是以我着實有些緊張。當時我們的對話如下：

我：您覺得我該做什麼研究呢？

Misra：你之前是否聽說過太空電梯呢？

我：沒有。那是什麼？

Misra：想象一個從地球赤道向高處延伸達 100 000 千米長的電纜，遠端固定在一個衛星上。這個系統會随着地球旋轉。電纜上的“攀登者”可以調整電纜運輸的載荷并在太空中釋放。我在想你或許可以研究一下這個系統的動力學。

我：那聽起來······很困難

Misra：你的工作不會很難。真要在地球上建設一個實際的太空電梯……才比較困難。

回憶快進到幾年之後。我剛剛發表了碩士論文《太空電梯的動力學研究》(The Dynamics of a Space Elevator) ，當時正在一個衛星設計項目中擔任工程師。在一次周末出行中，我的朋友在向他的哥們 Colin 介紹我的時候，稱我為“太空電梯人（the space elevator guy）”。我的妻子還翻了個白眼。我向 Colin 解釋了太空電梯如何運作。

我：如果你站在赤道并且盯着位于地球同步軌道（海拔大約 36, 000 公裡）的一個衛星，它看起來會是在空間上靜止的，因為它的速度恰到好處，每天圍繞地球正好旋轉一圈。現在，這個衛星向地球投下一條電纜，同時利用燃料上升到更高位置，它們仍然繞着地球旋轉。這個電纜就會成為機械攀登者用于攀爬的軌道，它類似于一條垂直鐵路上的火車，可以将貨物載荷運送到太空。

Colin：但是，是什麼保持電纜緊繃呢？

我：這是重力作用和離心效應的共同效果，它們會互相對抗并随着電纜長度變化。在地球同步軌道之下，重力作用更勝一籌；而在軌道之上，離心作用則更加顯著。這會使得電纜各處始終存在張力，其最大值正好位于同步軌道的位置。

Colin：這可是周五晚上！簡單點說明吧。

我：為了建造太空電梯，我們需要一種比強度勝于鋼鐵約 50 倍的材料。但與此同時，我和世界上的一部分人暫且假設這個問題會在之後被解決，而我們将在這個等待的過程中先解決太空電梯的其他工程問題。

Colin：酷。

《流浪地球2》中的太空電梯 來源：電影預告片

2014 年，我和我妻子再次和 Colin 相遇，他問道：“那個太空電梯現在咋樣了？”。我的妻子則閉上了眼，臉上滿是“噢不”的表情。

Colin：我不了解的是為什麼當乘客從電纜底部搭載上去的時候，整個電纜不會被扯下來。

我：如果一個攀登者位于地球同步軌道之下，尤其是近地區域，電纜的尖端會略微向下移動，電纜的整體張力将會發生變化。真正的問題是，在攀登者和地球之間的電纜所承受的張力将會減小（想象一下你垂直提起一根橡皮筋，然後在它的中段加上一個物體）。如果這個張力降低至零，那麼這個電纜将不會繃緊，它的結構也會失去内在的穩定性。這就會導緻攀登者（包括它所承載的負荷）将會有個最大品質限制，而這個品質大約是整個電纜品質的百分之一。由于電纜的品質預估将是數百噸，這一最大品質限制仍然會是一個很大的數字。

Colin：那麼電纜材料怎麼樣了呢？

我：我已經告訴過你了，這并不是我需要解決的問題。

Colin：加油啊哥們！

現在，2022 年了，在我負責教授實體的加拿大瓦尼爾學院（Vanier College）舉辦了一場研讨會，我在會上總結了我近二十年來在太空電梯方面的部分研究内容。當演講結束，問答部分開始。

學生1：用于建設太空電梯的理想材料什麼時候能夠出現？

我：盡管一些潛在适用材料的合成技術近年來已有長足進步，但是我們距離理想的材料（它需要既具有足夠優秀的性能，同時還需要能在合理的成本下實作高效的生産）仍然有至少 10 年的技術差距。新技術的産生需要等待更好的材料出現，這并不少見。而幸運的是，材料研究本身保持前進的驅動力與太空電梯課題并無直接聯系。

學生2：這個聽起來真的很酷。但是我們為什麼要建造它？

我：你可以想想，火箭作為一個交通方式是極為荒謬的。對于典型的太空任務而言，發射台上占比高達百分之九十的品質都來源于燃料。這就好比一台隻有一個壓縮了 100 000 升燃油的油箱、但沒有發動機的汽車。我們需要用一個更加綠色的方式替代這種低效脫離地球引力的方式去到太空。

美國航空航天局（NASA）計劃在 2040 年前将人類送上火星。在我們擁有一台可操控的太空電梯前，我對于人們能否真的實作在火星上行走（以數千億美元為成本）持懷疑态度。但如果這個要成為一個可持續的活動，我們就将會需要有一台像太空電梯這樣的裝置，并且越早越好。

學生3：是以，你覺得它在什麼時候可以被造出來呢？

我：有一位著名的作家兼工程師 C. Clarke，他的小說《天堂之泉》（The Fountains of Paradise）就構設了第一台太空電梯的建設編年史。當他在 20 世紀 90 年代早期被問到這個問題的時候，他那經典回複是：“也許是當人們不再嘲笑這個設想後的 50 年左右吧”。而這句話用更加現代的方式來說可能是：當 Elon Musk 開始是以受到贊賞的時候，我們就會知道我們距離實作不遠了。

直至今天，我的感受和我當初坐在 Arun 辦公室的緊張極為相似（是的，我們還在一起工作，我這麼稱呼他就總會顯得有些奇怪）。這條通向太空的精巧大道激發了我的想象力并使我對此充滿了希望。

原文連結：https://www.scientificamerican.com/article/space-elevators-are-less-sci-fi-than-you-think/