太空電梯經常被視為科幻夢想而被駁回，但我相信它們很快就會存在——也許在二三十年內。在我的航空航天工程師和物理學教授的職業生涯中，我一直回到從地球延伸到太空的纜繩的概念，沿著這條纜繩，人員和貨物可以輕鬆旅行。近年來，我和其他研究人員找到了修改設計和回答有關太空電梯如何工作的問題的新方法。
有很多理由建造太空電梯。顯而易見的原因是主要的能源和成本節約；與火箭相比，這是一種更實用的進入軌道的方式。另一個經常被忽視的原因是可及性。“太空任務”一詞將被“運輸”取代，因為太空旅行變得司空見慣，並且在很大程度上獨立於天氣條件。涉及人類的運輸將比目前的做法更安全，目前的做法是，宇航員每次發射都必須接受對其生命構成不可忽視的風險。太空電梯成為通往整個太陽系的橋樑。在較低部分釋放有效載荷，你就會繞地球軌道執行，但在較高部分釋放有效載荷，你就會繞太陽軌道執行；所有這些都不需要燃料。
雖然我可能看起來像一個太空電梯倡導者，但事實是，我只是喜歡研究它們的力學原理。在一個存在重大問題的世界裡，夢想這樣的專案讓我能夠設想一個我們已經成為這個星球上負責任的守護者的情景。
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我的故事始於 2004 年，當時我是一名碩士學位學生，坐在阿倫·米斯拉教授的辦公室裡，希望他能指導我的論文。米斯拉是麥吉爾大學機械工程系領先的太空專家，所以我有點害怕。對話大致是這樣的
我：您認為我可能會做哪種研究？
米斯拉：你聽說過太空電梯嗎？
我：沒有。那是什麼？
米斯拉：想象一下一根 100,000 公里長的纜繩，從地球赤道向上延伸，並固定在遠端的衛星上。該系統與地球一起旋轉。攀爬器可以沿著纜繩攀爬，運輸有效載荷，然後在太空中釋放它們。我當時想，你可以研究這個系統的動力學。
我：聽起來……很難。
米斯拉：你的工作不會很難。在地球上建造真正的太空電梯……。
那將很難。
快進幾年。我最近發表了我的碩士論文，題為《太空電梯的動力學》。我現在在衛星設計公司擔任工程師。在週末外出時，我的朋友把我介紹給他的哥們科林，稱我為“太空電梯傢伙”。我的妻子翻了個白眼。我向科林解釋了太空電梯是如何工作的。
我：如果你站在赤道上，盯著地球同步軌道（大約 36,000 公里高度）的衛星，它看起來會固定在太空中，每天圍繞地球旋轉一週，因為它 的速度恰到好處。現在，那顆衛星向地球投放一根纜繩，同時使用燃料上升到更高的高度。當衛星到達恰到好處的高度時，纜繩固定在地球端，系統仍然與地球一起旋轉。纜繩成為機械攀爬器攀爬的軌道，就像垂直鐵軌上的火車一樣，將有效載荷運送到太空。
科林：但是什麼使纜繩保持繃緊？
我：引力和離心效應的結合，它們相互競爭，並沿著纜繩的長度變化。在地球同步軌道以下，引力佔上風，而在地球同步軌道以上，離心效應占上風。結果是整個纜繩都處於張力之下，最大張力正好在地球同步軌道處。
科林：現在是星期五晚上。用小詞。
我：要建造它，我們需要一種比鋼鐵的比強度高約 50 倍的材料。但是，與此同時，我和世界上少數其他人正在假裝這個問題將得到解決，並在等待的同時解決太空電梯的其他工程方面的問題。
科林：太棒了。
2014 年，我和我的妻子再次與科林相遇。“那個太空電梯怎麼樣了？”他問道。我的妻子閉上了眼睛，她的臉上寫著“拜託，別說了”。
科林：我不明白的是，當在底部裝載攀爬器時，為什麼整根纜繩不會被拉下來？
我：如果攀爬器位於地球同步軌道以下，尤其是在靠近地球的地方，纜繩的尖端會向下移動少量，並且纜繩沿線的張力分佈會發生變化。真正的問題是，攀爬器和地球之間的纜繩部分會經歷張力下降（就像你垂直拉緊一根橡皮筋，然後在其中間固定一個質量塊一樣）。如果張力降至零，纜繩將不再繃緊，並且結構將失去其固有的穩定性。事實證明，攀爬器（及其攜帶的任何東西）的最大質量可能是纜繩總質量的 1%。這仍然是很大的質量，因為預計纜繩重達數百噸。
科林：纜繩材料進展如何？
我：我已經告訴你了，那不是我的事。
科林：加油，夥計！
現在是 2022 年。我最近在瓦尼爾學院的一個研討會上介紹了我近二十年來在太空電梯方面所做的零星工作的總結，我在那裡教授物理學。演講結束，問答環節開始。
學生 1：建造電梯的材料什麼時候準備好？
我：雖然近年來潛在合適材料的合成取得了進展，但我們離材料解決方案（一種具有足夠效能，並且可以以合理的成本合理快速地製造出來的材料）至少還有 10 年的時間。新技術等待更好的材料科學是很常見的，幸運的是，材料研究為了與太空電梯無關的原因而不斷前進。
學生 2：聽起來真酷。但是我們為什麼要建造它呢？
我：當你考慮一下時，火箭作為一種交通工具是荒謬的。對於典型的太空任務，發射臺上總質量的 90% 以上是燃料！這就像在一輛沒有發動機的汽車裡，只有一個加壓的 100,000 升油箱。我們需要用更綠色的太空之路來取代這種效率低下的逃離地球引力的方法。
美國宇航局計劃在 2040 年之前將人類送上火星。我懷疑人們確實會在我們擁有可執行的太空電梯之前（花費數千億美元）登上火星，但為了使這成為一項可持續的事業，我們需要像太空電梯這樣的基礎設施，而且越早越好。
學生 3：那麼，你認為什麼時候會建成一個？
我：著名作家兼工程師亞瑟·C·克拉克，他的小說《天堂之泉》記錄了第一部太空電梯的建造過程，在 1990 年代初期被問到這個問題。他著名的回答是，“大概在每個人都不再嘲笑之後的 50 年。”更現代的答案可能是，“當埃隆·馬斯克開始為此邀功時，我們就會知道我們快成功了。”
今天，我的感覺很像我緊張地坐在阿倫（是的，我們仍然在一起工作，我現在這樣稱呼他，而且這總是有點奇怪）的辦公室裡一樣。這條通往太空的優雅大道吸引了我的想象力，並讓我充滿希望。
這是一篇觀點和分析文章，作者或多位作者表達的觀點不一定代表《大眾科學》的觀點。