太空电梯经常被视为科幻梦想而被驳回，但我相信它们很快就会存在——也许在二三十年内。在我的航空航天工程师和物理学教授的职业生涯中，我一直回到从地球延伸到太空的缆绳的概念，沿着这条缆绳，人员和货物可以轻松旅行。近年来，我和其他研究人员找到了修改设计和回答有关太空电梯如何工作的问题的新方法。
有很多理由建造太空电梯。显而易见的原因是主要的能源和成本节约；与火箭相比，这是一种更实用的进入轨道的方式。另一个经常被忽视的原因是可及性。“太空任务”一词将被“运输”取代，因为太空旅行变得司空见惯，并且在很大程度上独立于天气条件。涉及人类的运输将比目前的做法更安全，目前的做法是，宇航员每次发射都必须接受对其生命构成不可忽视的风险。太空电梯成为通往整个太阳系的桥梁。在较低部分释放有效载荷，你就会绕地球轨道运行，但在较高部分释放有效载荷，你就会绕太阳轨道运行；所有这些都不需要燃料。
虽然我可能看起来像一个太空电梯倡导者，但事实是，我只是喜欢研究它们的力学原理。在一个存在重大问题的世界里，梦想这样的项目让我能够设想一个我们已经成为这个星球上负责任的守护者的情景。
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我的故事始于 2004 年，当时我是一名硕士学位学生，坐在阿伦·米斯拉教授的办公室里，希望他能指导我的论文。米斯拉是麦吉尔大学机械工程系领先的太空专家，所以我有点害怕。对话大致是这样的
我：您认为我可能会做哪种研究？
米斯拉：你听说过太空电梯吗？
我：没有。那是什么？
米斯拉：想象一下一根 100,000 公里长的缆绳，从地球赤道向上延伸，并固定在远端的卫星上。该系统与地球一起旋转。攀爬器可以沿着缆绳攀爬，运输有效载荷，然后在太空中释放它们。我当时想，你可以研究这个系统的动力学。
我：听起来……很难。
米斯拉：你的工作不会很难。在地球上建造真正的太空电梯……。
那将很难。
快进几年。我最近发表了我的硕士论文，题为《太空电梯的动力学》。我现在在卫星设计公司担任工程师。在周末外出时，我的朋友把我介绍给他的哥们科林，称我为“太空电梯家伙”。我的妻子翻了个白眼。我向科林解释了太空电梯是如何工作的。
我：如果你站在赤道上，盯着地球同步轨道（大约 36,000 公里高度）的卫星，它看起来会固定在太空中，每天围绕地球旋转一周，因为它 的速度恰到好处。现在，那颗卫星向地球投放一根缆绳，同时使用燃料上升到更高的高度。当卫星到达恰到好处的高度时，缆绳固定在地球端，系统仍然与地球一起旋转。缆绳成为机械攀爬器攀爬的轨道，就像垂直铁轨上的火车一样，将有效载荷运送到太空。
科林：但是什么使缆绳保持绷紧？
我：引力和离心效应的结合，它们相互竞争，并沿着缆绳的长度变化。在地球同步轨道以下，引力占上风，而在地球同步轨道以上，离心效应占上风。结果是整个缆绳都处于张力之下，最大张力正好在地球同步轨道处。
科林：现在是星期五晚上。用小词。
我：要建造它，我们需要一种比钢铁的比强度高约 50 倍的材料。但是，与此同时，我和世界上少数其他人正在假装这个问题将得到解决，并在等待的同时解决太空电梯的其他工程方面的问题。
科林：太棒了。
2014 年，我和我的妻子再次与科林相遇。“那个太空电梯怎么样了？”他问道。我的妻子闭上了眼睛，她的脸上写着“拜托，别说了”。
科林：我不明白的是，当在底部装载攀爬器时，为什么整根缆绳不会被拉下来？
我：如果攀爬器位于地球同步轨道以下，尤其是在靠近地球的地方，缆绳的尖端会向下移动少量，并且缆绳沿线的张力分布会发生变化。真正的问题是，攀爬器和地球之间的缆绳部分会经历张力下降（就像你垂直拉紧一根橡皮筋，然后在其中间固定一个质量块一样）。如果张力降至零，缆绳将不再绷紧，并且结构将失去其固有的稳定性。事实证明，攀爬器（及其携带的任何东西）的最大质量可能是缆绳总质量的 1%。这仍然是很大的质量，因为预计缆绳重达数百吨。
科林：缆绳材料进展如何？
我：我已经告诉你了，那不是我的事。
科林：加油，伙计！
现在是 2022 年。我最近在瓦尼尔学院的一个研讨会上介绍了我近二十年来在太空电梯方面所做的零星工作的总结，我在那里教授物理学。演讲结束，问答环节开始。
学生 1：建造电梯的材料什么时候准备好？
我：虽然近年来潜在合适材料的合成取得了进展，但我们离材料解决方案（一种具有足够性能，并且可以以合理的成本合理快速地制造出来的材料）至少还有 10 年的时间。新技术等待更好的材料科学是很常见的，幸运的是，材料研究为了与太空电梯无关的原因而不断前进。
学生 2：听起来真酷。但是我们为什么要建造它呢？
我：当你考虑一下时，火箭作为一种交通工具是荒谬的。对于典型的太空任务，发射台上总质量的 90% 以上是燃料！这就像在一辆没有发动机的汽车里，只有一个加压的 100,000 升油箱。我们需要用更绿色的太空之路来取代这种效率低下的逃离地球引力的方法。
美国宇航局计划在 2040 年之前将人类送上火星。我怀疑人们确实会在我们拥有可运行的太空电梯之前（花费数千亿美元）登上火星，但为了使这成为一项可持续的事业，我们需要像太空电梯这样的基础设施，而且越早越好。
学生 3：那么，你认为什么时候会建成一个？
我：著名作家兼工程师亚瑟·C·克拉克，他的小说《天堂之泉》记录了第一部太空电梯的建造过程，在 1990 年代初期被问到这个问题。他著名的回答是，“大概在每个人都不再嘲笑之后的 50 年。”更现代的答案可能是，“当埃隆·马斯克开始为此邀功时，我们就会知道我们快成功了。”
今天，我的感觉很像我紧张地坐在阿伦（是的，我们仍然在一起工作，我现在这样称呼他，而且这总是有点奇怪）的办公室里一样。这条通往太空的优雅大道吸引了我的想象力，并让我充满希望。
这是一篇观点和分析文章，作者或多位作者表达的观点不一定代表《大众科学》的观点。