太空天梯离我们有多远
近日，中国科学家成功制备出单根长度达半米以上的碳纳米管，创造了新的世界纪录。围绕对这项成果的评论，无不汇聚到一点，即人类离搭建太空天梯的梦想又进了一步。不久之前，日本一家公司更是提出，要在2050年之前建造一座太空天梯，送游客去太空观光。作为美国宇航局世纪挑战的首选项目，太空天梯本世纪真能实现吗？太空天梯能有多高？搭建太空天梯将会采用哪种方案，又有什么难题要解决呢？
如何把梯子固定住？
围绕地球有这样一条位于赤道面上空的轨道，其距离地球赤道的高度为35786千米，如果在该轨道上的航天器以每秒3.07千米的速度绕地球运行，那么就正好与地球自转的速度相同，故从地面上看去，好像航天器被固定在太空中一样，这条轨道被称为地球静止轨道。
正缘于地球静止轨道的这种特殊功能，俄国著名学者、现代航天学奠基人之一齐奥尔科夫斯基才提出，可在轨道上设置一个太空城堡，从上面垂放一根缆绳锚在地球赤道上，就可成为通向太空的天梯。这根梯子可以笔直地通向静止轨道，在无外力影响时它不会弯曲，能作为通往太空的运输线。
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目前，包括中国在内的一些国家已向地球静止轨道发射了多颗卫星，成功地掌握了高轨道航天器入轨技术，这都为将来建造太空天梯奠定了一定的技术基础。
太空天梯的搭建步骤
1999年，美国宇航局马歇尔研究中心发表了《天梯：太空的先进基础设施》的报告，标志着天梯将从幻想走向现实。2005年，美国宇航局正式宣布，太空天梯已成为世纪挑战的首选项目。以研究天梯而著称的美国科学家布拉德·爱德华兹所构想的初版天梯预计将在2019年问世，其成本大约为70亿～100亿美元，与人类其他大型太空壮举相比，天梯费用并不算太大。
爱德华兹是这样描述天梯的建造过程的：第一步，把一个携带天梯半成品的航天器发射到地球静止轨道上，使其和地球同步飞行；第二步，把这个半成品的天梯从航天器上放下来，落到赤道海面的一个平台上，这个平台类似一般的海上发射卫星的平台；第三步，把半成品的天梯锚定在平台上；第四步，用一个由激光提供能量的爬升器在这个半成品的天梯上上下移动，并把更多碳纳米合成纤维缆绳拧在天梯半成品上，进一步完善天梯。整个制造过程大约需要两年半的时间。另外，根据专家设想，天梯也可由电磁能驱动。建成后的这个天梯犹如一条上下垂直的高速公路，爬升器就可沿着它把人员及成吨重的物资运送到离地面约3.6万千米高的地球静止轨道上，用时约需7.5天，回来也需要同样长的时间。
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至于海面平台位置的选择要尽可能避开飞机航班和轮船航线，也不能位于飓风骇浪经常发生的地方。当然，天梯还要有抵御闪电和风云雨雪的侵袭、穿越电离层的伤害、高层大气中硫酸的侵蚀以及来自太空垃圾或流星的撞击的能力。
如何防止天梯掉下来
当航天器在地球静止轨道上以每秒3.07千米的速度运行时，其产生的离心力正好与离地球赤道35786千米高度上的地球引力相等，两种力达到平衡状态，故航天器不会掉下来。若从航天器伸展缆绳到地球赤道海面上组成一个天梯，那么受力状态就发生了变化，最终情况也就不一样了。
航天器围绕地球飞行而掉不下来的速度是随着距离地面的高度而变化的。轨道高度越低，地球引力就越大，所需要的飞行环绕速度也就越大，反之亦然，如在离地面4000千米高的点上，实际需要的环绕速度为每秒6.2千米。若天梯上每一段所产生的离心力无法与地球引力相平衡，最终整个天梯受到一个巨大的向下作用的合力。在此力的作用下，天梯将在绕地球旋转的同时逐渐降低高度，最后结果只能是连同航天器一块坠落到地球上。
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如何才能防止天梯掉下来呢？办法就是从地球静止轨道的航天器上再向上建造一个上天梯，使其产生的离心力合力能够平衡下天梯受到的地球引力的合力。根据计算，当上天梯的高度为10.8万千米时，向上的合力就与35786千米长的下天梯受到的向下的合力相平衡了，这样总高度为14.3786万千米的整个天梯就不会坠地了。
由于上天梯受向上的拉力，下天梯受向下的拉力，整个天梯就像两头受拉的缆绳一样，被绷得紧紧的，不会弯曲，即使受到某种扰动而发生弯曲，也能自动恢复到直线状态。同时，受地球重力梯度的作用，天梯能始终保持垂直地面的方向。有鉴于此，建造太空天梯时，上、下天梯必须坚持同步进行，以便使其任何时候所受到的向上和向下的两个力都能保持平衡。唯有如此，才能逐步完成这项人类历史上空前的宏伟工程。
日本的太空天梯方案
日本大林公司所设计的太空电梯缆绳全长为地球到月球距离的四分之一，约有9.6万千米。实施办法是，在距离地球赤道上空约3.6万千米处发射一颗静止卫星，从上垂下一条碳纳米材质的缆绳，然后安装升降太空天梯。为了平衡重量，避免这颗卫星因天梯太重被拉回地面，在其上还要架设另外一条缆绳。上半部分的缆绳悬浮在太空中，以缓解太空天梯承受的地球引力。天梯缆绳下端固定在地球赤道表面一个预定点上，上端则系着一个起平衡作用的铅坠。正因为其上端系着一个具有一定质量的铅坠，在环绕地球运行过程中能够产生较大的离心力，故而上天梯的高度才由10.8万千米降为6万千米，致使天梯缆线全长由本来需要的约14.4万千米缩短至9.6万千米。
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天梯缆绳的中间部位即距离地面3.6万千米处将由静止卫星扩建成一个空间站，站内将建设实验设施及居住空间，可供工作人员和旅客驻留。这里是普通旅行者的终点站，而研究人员和专家可以继续前行，一直到缆线尽头。空间站周边设施将利用太阳能发电，除供站内用电外，还会向地面输送电力。
【责任编辑】庞 云
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碳纳米管：太空天梯的首选材料
太空天梯的缆绳必须异常的轻巧、坚硬，可承受超强压力，同时还要能够耐腐蚀。科学家们一直苦苦寻找这种材料， 1991年，日本科学家在制备巴基球的过程中终于发现了碳纳米管。碳纳米管是使用一种特殊的方法，让碳原子形成长链而生长出的超细管子，细到5万根碳纳米管并排起来才有一根头发丝宽。
碳纳米管是目前人工合成新材料中力学性能最好的，远远超过其他材料。要在地球与空间站搭建一座天梯，能够跨越如此长的距离而不被自身重量拉断的材料，非碳纳米管莫属。如果用它来做天梯缆绳，可以制成宽约1米，厚度比纸还要薄，却能支撑13吨有效载重量的缆绳。
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不过，要实现登上天梯的梦想，需要批量制备出单根长度达到米级甚至千米级以上的碳纳米管。对于碳纳米管来说，增加1厘米长度都来之不易。因为在碳纳米管的高温生长过程中，催化剂会失活，从而限制了碳纳米管的生长。提高碳纳米管长度的唯一方法是尽可能提高催化剂的活性率。中国科学家最近首次将生长每毫米长度碳纳米管的催化剂活性率提高到99.5%以上，最终成功制备出单根长度超过半米的碳纳米管。这些碳纳米管具有完美的结构、优异的力学性能和宏观的长度，这为今后研制更长的碳纳米管奠定了基础。
这种超长碳纳米管已经接近理论最高值的拉伸强度，可以真正和钢铁、钛合金等材料同场竞技，进入应用领域，制造“拉不断”的绳子、“扯不破”的纤维布、“打不透”的防弹衣、 循环寿命可达上万次的超级电容、可贴在墙上薄如纸的显示器等。
目前，中国科学家还在从事1米以上碳纳米管的制备，希望能够制备出千米级以上长度、具有宏观密度的碳纳米管，为太空天梯的制备开启一线曙光。 (唐承革), http://www.100md.com(尹怀勤)
如何把梯子固定住？
围绕地球有这样一条位于赤道面上空的轨道，其距离地球赤道的高度为35786千米，如果在该轨道上的航天器以每秒3.07千米的速度绕地球运行，那么就正好与地球自转的速度相同，故从地面上看去，好像航天器被固定在太空中一样，这条轨道被称为地球静止轨道。
正缘于地球静止轨道的这种特殊功能，俄国著名学者、现代航天学奠基人之一齐奥尔科夫斯基才提出，可在轨道上设置一个太空城堡，从上面垂放一根缆绳锚在地球赤道上，就可成为通向太空的天梯。这根梯子可以笔直地通向静止轨道，在无外力影响时它不会弯曲，能作为通往太空的运输线。
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目前，包括中国在内的一些国家已向地球静止轨道发射了多颗卫星，成功地掌握了高轨道航天器入轨技术，这都为将来建造太空天梯奠定了一定的技术基础。
太空天梯的搭建步骤
1999年，美国宇航局马歇尔研究中心发表了《天梯：太空的先进基础设施》的报告，标志着天梯将从幻想走向现实。2005年，美国宇航局正式宣布，太空天梯已成为世纪挑战的首选项目。以研究天梯而著称的美国科学家布拉德·爱德华兹所构想的初版天梯预计将在2019年问世，其成本大约为70亿～100亿美元，与人类其他大型太空壮举相比，天梯费用并不算太大。
爱德华兹是这样描述天梯的建造过程的：第一步，把一个携带天梯半成品的航天器发射到地球静止轨道上，使其和地球同步飞行；第二步，把这个半成品的天梯从航天器上放下来，落到赤道海面的一个平台上，这个平台类似一般的海上发射卫星的平台；第三步，把半成品的天梯锚定在平台上；第四步，用一个由激光提供能量的爬升器在这个半成品的天梯上上下移动，并把更多碳纳米合成纤维缆绳拧在天梯半成品上，进一步完善天梯。整个制造过程大约需要两年半的时间。另外，根据专家设想，天梯也可由电磁能驱动。建成后的这个天梯犹如一条上下垂直的高速公路，爬升器就可沿着它把人员及成吨重的物资运送到离地面约3.6万千米高的地球静止轨道上，用时约需7.5天，回来也需要同样长的时间。
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至于海面平台位置的选择要尽可能避开飞机航班和轮船航线，也不能位于飓风骇浪经常发生的地方。当然，天梯还要有抵御闪电和风云雨雪的侵袭、穿越电离层的伤害、高层大气中硫酸的侵蚀以及来自太空垃圾或流星的撞击的能力。
如何防止天梯掉下来
当航天器在地球静止轨道上以每秒3.07千米的速度运行时，其产生的离心力正好与离地球赤道35786千米高度上的地球引力相等，两种力达到平衡状态，故航天器不会掉下来。若从航天器伸展缆绳到地球赤道海面上组成一个天梯，那么受力状态就发生了变化，最终情况也就不一样了。
航天器围绕地球飞行而掉不下来的速度是随着距离地面的高度而变化的。轨道高度越低，地球引力就越大，所需要的飞行环绕速度也就越大，反之亦然，如在离地面4000千米高的点上，实际需要的环绕速度为每秒6.2千米。若天梯上每一段所产生的离心力无法与地球引力相平衡，最终整个天梯受到一个巨大的向下作用的合力。在此力的作用下，天梯将在绕地球旋转的同时逐渐降低高度，最后结果只能是连同航天器一块坠落到地球上。
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如何才能防止天梯掉下来呢？办法就是从地球静止轨道的航天器上再向上建造一个上天梯，使其产生的离心力合力能够平衡下天梯受到的地球引力的合力。根据计算，当上天梯的高度为10.8万千米时，向上的合力就与35786千米长的下天梯受到的向下的合力相平衡了，这样总高度为14.3786万千米的整个天梯就不会坠地了。
由于上天梯受向上的拉力，下天梯受向下的拉力，整个天梯就像两头受拉的缆绳一样，被绷得紧紧的，不会弯曲，即使受到某种扰动而发生弯曲，也能自动恢复到直线状态。同时，受地球重力梯度的作用，天梯能始终保持垂直地面的方向。有鉴于此，建造太空天梯时，上、下天梯必须坚持同步进行，以便使其任何时候所受到的向上和向下的两个力都能保持平衡。唯有如此，才能逐步完成这项人类历史上空前的宏伟工程。
日本的太空天梯方案
日本大林公司所设计的太空电梯缆绳全长为地球到月球距离的四分之一，约有9.6万千米。实施办法是，在距离地球赤道上空约3.6万千米处发射一颗静止卫星，从上垂下一条碳纳米材质的缆绳，然后安装升降太空天梯。为了平衡重量，避免这颗卫星因天梯太重被拉回地面，在其上还要架设另外一条缆绳。上半部分的缆绳悬浮在太空中，以缓解太空天梯承受的地球引力。天梯缆绳下端固定在地球赤道表面一个预定点上，上端则系着一个起平衡作用的铅坠。正因为其上端系着一个具有一定质量的铅坠，在环绕地球运行过程中能够产生较大的离心力，故而上天梯的高度才由10.8万千米降为6万千米，致使天梯缆线全长由本来需要的约14.4万千米缩短至9.6万千米。
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碳纳米管：太空天梯的首选材料
太空天梯的缆绳必须异常的轻巧、坚硬，可承受超强压力，同时还要能够耐腐蚀。科学家们一直苦苦寻找这种材料， 1991年，日本科学家在制备巴基球的过程中终于发现了碳纳米管。碳纳米管是使用一种特殊的方法，让碳原子形成长链而生长出的超细管子，细到5万根碳纳米管并排起来才有一根头发丝宽。
碳纳米管是目前人工合成新材料中力学性能最好的，远远超过其他材料。要在地球与空间站搭建一座天梯，能够跨越如此长的距离而不被自身重量拉断的材料，非碳纳米管莫属。如果用它来做天梯缆绳，可以制成宽约1米，厚度比纸还要薄，却能支撑13吨有效载重量的缆绳。
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不过，要实现登上天梯的梦想，需要批量制备出单根长度达到米级甚至千米级以上的碳纳米管。对于碳纳米管来说，增加1厘米长度都来之不易。因为在碳纳米管的高温生长过程中，催化剂会失活，从而限制了碳纳米管的生长。提高碳纳米管长度的唯一方法是尽可能提高催化剂的活性率。中国科学家最近首次将生长每毫米长度碳纳米管的催化剂活性率提高到99.5%以上，最终成功制备出单根长度超过半米的碳纳米管。这些碳纳米管具有完美的结构、优异的力学性能和宏观的长度，这为今后研制更长的碳纳米管奠定了基础。
这种超长碳纳米管已经接近理论最高值的拉伸强度，可以真正和钢铁、钛合金等材料同场竞技，进入应用领域，制造“拉不断”的绳子、“扯不破”的纤维布、“打不透”的防弹衣、 循环寿命可达上万次的超级电容、可贴在墙上薄如纸的显示器等。
目前，中国科学家还在从事1米以上碳纳米管的制备，希望能够制备出千米级以上长度、具有宏观密度的碳纳米管，为太空天梯的制备开启一线曙光。 (唐承革), http://www.100md.com(尹怀勤)