天文在线人类的“通天塔”，太空电梯将如何工作？

1981年4月12日，哥伦比亚号航天飞机从佛罗里达州肯尼迪航天中心升空，开始执行第一次航天飞机任务，至此，可重复使用航天器的梦想得以实现。从那时起，美国宇航局已经发射了100多次太空任务，但太空任务的成本变化不大。无论是航天飞机还是不可重复使用的俄罗斯航天器，发射成本约为每磅10000美元（每公斤22000美元）。

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运往39B发射台的哥伦比亚号航天飞机（图片来源：Wikimedia）
正在开发的一个新型太空运输系统有望使前往地球静止轨道（GEO）的旅行成为日常活动，并改变全球经济形势。
由碳纳米管复合材料缆带制成的太空电梯锚定在一个近海海洋平台上，缆带由一个小型配重物拉伸，长约6.2万英里（10万公里），伸向太空。然后，附着在缆带上的机械升降器会沿缆带爬升，将货物和人类送入太空，其成本仅为每磅100至400美元（每公斤220至880美元）。

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太空电梯概念图（图片来源：Medium）
在这篇文章中，我们将看到太空电梯的想法是如何从科幻小说走向现实的。
太空电梯缆带
为了更好地理解太空电梯的概念，我们来想象这样一种游戏：绳子一端系在一根杆上，另一端系在一个球上。在这个比喻中，绳子是碳纳米管复合缆带，杆是地球，球是配重物。现在，想象一下，球一直绕着杆子快速旋转，使绳子绷紧。这就是太空电梯的整体构想。配重物绕着地球旋转，使缆带保持笔直，自动升降舱在缆带上上下移动。

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太空电梯末端的配重物将使碳纳米管缆带保持紧绷状态。根据一些早期的计划，配重物由剩余的建筑材料制成。（图片来源：LIFTPORT GROUP）
【天文在线人类的“通天塔”，太空电梯将如何工作？】
LiftPort是为太空电梯及其部件进行设计开发的几家公司之一。根据LiftPort提出的设计，太空电梯的高度大约为6.2万英里（10万公里）。来自世界各地的团队在2006年10月新墨西哥州拉斯克鲁斯（Las Cruces）举行的X奖杯太空电梯比赛中争夺40万美元的一等奖。
电梯的核心部件是碳纳米管复合材料缆带，它只有几厘米宽，几乎和一张纸一样薄。 1991年发现的碳纳米管使科学家相信太空电梯是可以被建造出来的。据太空发展基金会（Spaceward Foundation）的布拉德利·爱德华兹（Bradley Edwards）博士说：“过去在材料方面面临的挑战太大，但现在我们在制造碳纳米管和建造相应的机器方面已经越来越先进，这些机器可以将材料拉伸出足够的长度，用以制作延伸至太空的缆带。 ”

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碳纳米管，又名巴基管，是一种具有特殊结构（径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级，管子两端基本上都封口）的一维量子材料。碳纳米管主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管。层与层之间保持固定的距离，约0.34nm ，直径一般为2~20 nm 。（图片来源：HCL Technologies）
碳纳米管的理论强度是钢的100倍，并且具有塑料的柔韧性，这种高强度来源于其类似于足球的独特结构。一旦科学家们能够将碳纳米管制成纤维，就有可能制造出用于制作太空电梯缆带的线。以前可用的材料不是强度不足就是柔韧度不够，无法制成缆带，而且很容易断裂。