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科幻作家亞瑟·C·克拉克 (Arthur C. Clarke) 的粉絲們都知道並喜愛他 1979 年的經典小說《天堂之泉》。 該情節圍繞著 22 世紀一位有遠見的結構工程師凡內瓦·摩根 (Vannevar Morgan) 博士的努力展開，他試圖建造一個太空電梯，將地球表面與地球靜止軌道上的衛星連線起來，幾乎就像一種“宇宙吊索”——更好地將有效載荷提升到那裡，而無需依賴昂貴的火箭。
克拉克在真正的國際空間站發射近 20 年前寫了《天堂之泉》。 他很有遠見。 如果太空電梯真的成為現實，他可能會被證明具有雙重預見性。 在上週巴爾的摩舉行的 APS 四月會議上，西弗吉尼亞大學物理學家萊昂納多·戈盧博維奇 (Leonardo Golubovic) 和他的學生史蒂文·克努森 (Steven Knudsen) 公佈了太空電梯概念的新變化，將通常的細繩連線地球平臺到地球靜止軌道的示意圖變成了旋轉環。
太空電梯的想法並非起源於克拉克。 正如 2006 年舊版雞尾酒派對物理學部落格上的這篇客座文章所指出的那樣
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正如克拉克承認的那樣，最初的太空電梯是由俄羅斯工程師尤里·阿特蘇塔諾夫 (Yuri Artsutanov) 於 1960 年在《真理報》上發表的一篇題為《乘坐電力火車前往宇宙》的文章中首次描述的。 從那時起，它顯然至少被獨立“重新發明”了三次：
(1) 斯克裡普斯海洋研究所和伍茲霍爾海洋研究所的團隊（1966 年）；
(2) 1969 年，A.R. Collar 和 J.W. Flower 在《英國星際學會雜誌》上發表；
(3) 以及賴特-帕特森空軍基地空軍研究實驗室的傑羅姆·皮爾遜 (Jerome Pearson)（1975 年）。 克拉克本人在 1963 年為聯合國教科文組織撰寫的一篇關於通訊衛星的文章中也暗示了這一點，儘管沒有完全展開（他聲稱是因為計算空間不足）。
太空電梯有幾種概念設計，但它們都具有相同的基本元件：一條長長的繫繩，一端錨固在海上浮動平臺上，另一端連線到配重——地球靜止軌道上的衛星或空間站——距離太空約 62,000 英里。 運輸車（用於乘客或貨物）將連線到繫繩，並根據需要上下移動。 How Stuff Works 將這個概念比作繫繩球遊戲：“[一條]繩子一端連線到杆子上，另一端連線到球上……[T]繩子是碳奈米管複合材料帶，杆子是地球，球是配重。 現在，想象一下球在杆子周圍永不停歇地旋轉，速度非常快，以至於繩子始終繃緊。 這就是太空電梯的大概思路。 配重繞地球旋轉，保持電纜筆直，並允許機器人升降機沿著帶子上下移動。”
太空電梯有很多好處：使用更少的電力來移動大型有效載荷（從而降低成本），更少的不利環境影響（電磁能比火箭燃料的廢氣更好），而且它很安靜，基本概念可以適應和擴充套件——理論上是這樣。 實際上，製造實用太空電梯的障礙至少可以說令人生畏。
首先是材料問題：您需要非常堅固的材料來製作繫繩。 克拉克發明了一種虛構的“偽一維金剛石晶體”，其中含有一些微量元素雜質以增強強度，在零重力實驗室中生長。 這種材料不存在，但碳奈米管確實存在，還有神奇的材料石墨烯，它不僅具有很高的拉伸強度，而且還具有合適的電磁特性。 最近，人們對一種新型類金剛石超薄奈米線感到興奮，這種奈米線可能非常適合太空電梯纜繩，但它仍處於實驗室階段——特別是賓夕法尼亞州立大學約翰·巴丁的實驗室——因此尚未完全準備好擴大生產規模。
唉，問題就在這裡：儘管這些新材料前景廣闊，但在部署為太空電梯的一部分時，它們尚未完全準備好迎接黃金時段。 還有許多其他障礙需要克服。 地球上唯一可行的位置位於赤道沿線，因為那裡是衛星在地球靜止軌道上排列最佳的位置。 颶風或龍捲風也很少，這可能會對陸地和太空之間至關重要的繫繩造成嚴重問題。 但即使在最佳條件下，海洋也是比大多數人意識到的更困難和不穩定的環境。
倫敦大學學院的凱文·方 (Kevin Fong) 在二月份告訴 BBC Future，雖然他喜歡太空電梯的想法，但在實現太空電梯的過程中，會存在安全問題以及艱鉅的工程問題。 他說：“它描繪了一個相當可怕的景象，即一根巨大的乳酪絲穿過太空，摧毀航天器，自身也被太空碎片擊中。”
一家名為 LiftPort 的初創公司正專注於月球電梯，因為月球上的條件更容易導航，使其成為太空電梯原型的絕佳試驗場。 早在 2012 年，該公司（技術上是一個公司聯盟）在 Kickstarter 上籌集了超過 10 萬美元，用於在地球和月球引力場之間的最佳位置建立 PicoGravity 實驗室。
回到戈盧博維奇和克努森的旋轉環設計：他們早在 2009 年就首次提出這個設計，作為解決如何向沿繫繩移動的攀爬車供電的方法。 他們的想法是，可以說，給它一個旋轉，將推動物體沿著繫繩前進，而無需額外的推力，無論該推力是來自傳統發動機還是來自雷射的壓力。
現在，由於叢集計算，他們有了新的、更復雜的計算機模擬，證明這種概念不必侷限於地球電梯——事實上，可能根本不需要連線到陸地。 這個概念應該適用於氣態行星或表面較軟、塵土飛揚的行星，這些行星會給錨定旋轉太空電梯帶來問題。 這種創造性的創新正是 Jen-Luc Piquant 個人非常贊成教授/學生在科學與科幻小說之間的邊界進行合作的原因。
這一切聽起來都很令人興奮，而且在太空旅行方面，我和其他人一樣都是狂熱粉絲，但說真的——太空電梯在 10 年內成為現實的可能性有多大？ 2012 年，一家名為 Obayashi Corporation 的公司宣佈，它可以在 2050 年之前建造一個基於碳奈米管的太空電梯，但普遍認為這主要是一種宣傳噱頭。 去年，谷歌證實它曾考慮過太空電梯專案，但認為它在目前是不可行的。 然而。
“但是自 1979 年以來，我們取得了如此大的進步！” 我彷彿聽到你們都在抗議。 沒錯！ 只是進步還不夠。 檢視前面提到的尼克·弗萊明 (Nic Fleming) 在 BBC Future 上發表的長篇文章，他對現實世界的前景進行了深入、令人欽佩的清晰審視。 他的訊息來源包括：那位有遠見的人埃隆·馬斯克 (Elon Musk)，他在去年 10 月告訴麻省理工學院的與會者：“這極其複雜。 我認為擁有太空電梯是不現實的。” 他將其比作擁有一座“從洛杉磯到東京的橋樑”，只不過那將比太空電梯更容易。
當然，馬斯克在可重複使用的火箭交付有效載荷方面擁有既得利益——Space-X 剛剛在昨天進行了另一次幾乎成功的測試，事實上。 太空電梯將構成嚴重的競爭。 但他對克服剩餘挑戰的難度也有很好的把握。 因此，如果馬斯克持懷疑態度，也許我們也應該持懷疑態度。 這並不意味著我們不能抱有 Liftport 能夠在其他人失敗的地方取得成功的希望。 馬斯克對麻省理工學院的聽眾說：“如果有人能證明我錯了，那就太好了。”
那麼克拉克富有遠見的工程師呢？ 虛構的凡內瓦·摩根博士在他的願景即將實現時死於心臟病發作。 但是等等！ 還有一個尾聲，故事發生在摩根未來的幾個世紀之後，人類已經放棄了垂死的地球，居住在經過地球化的行星上，並且有不止一個，而是許多太空電梯將這些行星連線到中央空間站。 他沒有活著看到他的想法完全實現，但他設法瞥見了它。 希望我們也能如此。
參考文獻
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