“太空电梯”到底可不可行？换多少名头都不行

�[db:标签]�品：科普中国

制作：太空精酿

2019年8月25日，一篇文章上传到该论文预印在arXiv网站上的文章中，“太空电梯”在技术上和经济上都是可行的，成本大约为10亿美元，您可以创建这样的“月亮太空电梯”。该论文中提到的新的Spacelin（Spacelin）实际上是一条320,000公里的电缆，一条在月球上，另一条在地球上，可能在距地球27,000英里的轨道上。

该论文拟发送至期刊《宇航学报》（Acta Astronautica）。

来源：arxiv.org本文的屏幕截图

“太空电梯”的概念一直只存在于想象力和文学中，它是一个完美的科幻概念，最早出现在作为人类的火箭。在他的父亲齐奥尔科夫斯基（Tsiolkovsky）时代，他已经提出了一个绝妙的主意：普通百姓可以用连接天地的绳索自由，低成本地行进太空。

但是，本文提到的太空电梯是否不可行？

美丽的太空电梯想象力图像来源：NASA

首先谈谈本文的想法，由于月球的相对运动，电缆无法固定在表面上因此，电缆的一端固定在月球上，另一头固定在地球上方，高度可能接近地球轨道。这就是大多数通信卫星所在的位置：围绕地球的旋转速度正好等于地球的一天，因此相对于地面是静止或同步的。该方案与之前的设置不同，在先前的设置中，太空电梯必须专注于地球同步轨道。但这意味着一系列新问题。

例如，本文没有考虑月球的运输成本。这笔费用真是惊人。在阿波罗登月任务期间，总共花费了约2000亿美元，只进行了6次飞行任务，总重量不到100吨，到达月球表面。 如果您要建造一个从月球到地球的大型稳定结构，超过300,000公里，这将意味着在月球上的巨大建造成本。

例如，南京长江大桥的主桥长约1600米。它仅是中国“幽灵和真棒”基础设施的一小部分，但用于装载10,000吨的大型钢缆。想象一下，如果您在月球上建造，这笔费用将是多么惊人！

此外，很难在地球尽头保持稳定的位置。在这样的高度，即使使用离子电推进的通信卫星仍然需要继续努力，以应对非严格的球形引力摄动，太阳压力，地球的反照率压力以及月球和月光的影响。工作寿命只有大约十年。对于这么大的结构，它注定是不可控的，甚至是围绕地球最宝贵的地球静止轨道上所有卫星的潜在灾难。

假定负载需要首先在地球尽头附近发射，然后通过太阳能缓慢移动到月球附近。 如此低效率的太阳能花费1秒（300,000公里，相当于地球赤道7.5圈！）的距离都没关系。简单地发射到地球静止轨道需要多长时间令人震惊。目前，人类到达该轨道的通信卫星重约7吨，但成本却高达数亿美元。

与一条不受高度控制的巨型电缆对接令人难以置信。即使两个可控的航天器太空交会和对接任务都在距地球数百公里的地方，世界上也只有一只手可以计数！

该论文还提到，最简单的Spaceline电缆版本可能会或可能不会超过88,000磅，并且不需要碳基材料，凯夫拉尔或其他现有材料即可完成。但是，这是不现实的。

由于拉紧的电缆需要承受较大的压力，因此可行的材料仍然是碳基的。但是，只有实验室中存在的材料无法大量生产，科学家只能生产非常少量的实验产品，而且成本很高。

即便是碳纳米管，它的长径比也在1000:1级别（对比普通材料20:1已有极大提升），对比太空电梯的超长缆绳要求依然不够。当长度为30万千米时，宽度会到多么不可思议的级别！

不仅强度问题，绳缆不同位置由于重力加速度和围绕地球/月球运动速度不同，受到的切向应力也不大不相同，人类尚无一种灵活的材料能实现这些要求。

铺天盖地的新闻 图片来源：百度

这不禁让人想起另一个更接近真实情况的“太空电梯”：2018年9月14日，日本宇宙航空研发机构JAXA将在种子岛太空中心用H-IIB火箭发射第七艘前往国际空间站的货运飞船HTV-7，这是现役世界第一重的货运飞船，可达16.5吨。不过显然它并没有多少读者注意，反而被一个“世界首个太空电梯即将发射”的新闻抢了头条，国内外的小媒体上到处都是。

它的全称是空间系留自主机器人卫星-迷你电梯（Space Tethered Autonomous Robotic Satellite - Miniature Elevator，STARS-Me），这已经是STARS实验系列卫星第四次任务。迷你电梯其实是个昵称，它真正的功能并非如此，真相如下。

1.HTV夹带的货物

日本已经执行了六次国际空间站的货运任务、且JAXA拥有国际空间站上希望号实验舱、储藏舱、扩展实验舱和机械臂。HTV可以运送重达6.2吨的货物，远超国际空间站货运主力进步号的2.4吨，在执行基本任务需求时夹带一些其他货物也是常态。本次HTV-7任务就额外携带了STARS-Me，SPATIUM-I和RSP-00三个技术验证卫星。

2.系留卫星

STARS系列任务都用来验证一种空间应用的技术：系留卫星，或者系绳卫星。 它的原理是通过用绳缆从母卫星释放一颗子卫星、或者双星进行伴飞，能自由释放、收回并重复使用，实现各种科学和工程研究目标，先后有香川大学、静冈大学等参与。

STARS-Me任务艺术构想图 图片来源：静冈大学

STARS的特色在于低成本的微小卫星编队：两颗微小、犹如魔方大小（10厘米边长的1U立方形）的卫星通过一根约10米的细钢缆相连。这次的-Me任务之所以叫做迷你电梯，是因为钢缆上还将有一个小滑块可以在钢缆上移动，视觉上有一种“电梯”的效果，因而得名，但可以确定的是这跟太空电梯的理念毫无关系。

3.到底是做什么的？

STARS-Me任务由静冈大学主要负责研发。 毕竟只是两个卫星加一起几千克的极小任务，它的真实作用还是基本的技术验证和教育教学，主要关于通过无线电信号接收辅助判断卫星状态：两颗卫星都能直接与地面通信，它们之间的距离和姿态会导致信号接收出现细微的偏差，在地面的接收站可以通过两股信号的多普勒频移、比特率、信噪比对比等反推这个小型编队的姿态和距离信息。

中间的“电梯厢”（6*3*3厘米尺寸，比鸡蛋还小）带有蓝牙功能，能够通过其中一颗卫星与地面通信，也会出现在两颗卫星的互拍中。它也能够在绳缆上缓慢移动，作为测试任务的额外标的，也能验证双星+滑块的技术可行性，从这个角度的确是世界首例，但它的更科学叫法应该叫做滑块。整体上这个任务只是个实验验证性质的小型任务，跟大家想象中的“黑科技”相距甚远。

4.宣传作用

毫无疑问，太空电梯是个大大的噱头，引发了全世界关注，也引出了每个新闻稿里都会出现的大林组建设公司。作为日本最大的房地产企业，大林组造了无数日本的摩天大楼，太空电梯概念一直以来是他们宣传的重要方向。部分资助这么一个大学里的小型科研项目并不昂贵，却收获到了万千读者的关注，可谓是一次成功的品牌曝光。

其实，NASA曾经做过一些预研究，最终全部放弃。谷歌著名的X实验室，曾经研究过太空电梯可行性，最终宣布放弃，因为它的技术难度“远远超过了人类现有技术水平”。

更何况，人类航天已经愈发成熟，随着可回收运载器和航天器的快速研发，尤其是商业航天的加入，航天成本也在迅速降低，太空电梯最吸引人的“价格优势”并不存在。

因而，历次报道“太空电梯”大新闻的媒体，大概像把壁虎吹作剑齿虎一样。

以上，别闹了，大家还是老老实实支持可控核聚变这种靠谱的技术吧，改变人类全靠它了（手动滑稽）！

（本文中标明来源的图片均已获得授权）