美国“天梯”工程将于多久完工？

【专家解说】：差不多要10年　    添加新图片天梯，又译空间电梯，是一种低成本将有效载荷从地球或其它星球的表面运输到空间的解决方案。这个方案旨在建造一部称作天梯的运输工具。 　　对于建造在地球上的天梯，平衡锤需要位于距离地面至少3.6万千米上空，使用3.6万千米长的缆绳与地面连接。这种缆绳必须十分结实，目前已经的材料中，只有碳纳米管可以胜任。包括平衡锤和缆绳的质心位于地球同步轨道的高度，同时为了保证整个装置固定，地面基站通常建造在赤道附近，同时应该尽量选择商业飞行较少的区域，以避免飞机与缆绳或货舱相撞，同时缆绳和货舱还必须能够抵御来自风和闪电的袭击。对于建造在月球上的天梯，要求相比地球要低，因为月球重力较小，且没有大气因素影响，自转速度较慢，且为同步自转。这种条件下，平衡锤可以建造在月球和地球的引力中点，即月球的拉格朗日点上。天梯的概念最初出现在1895年，但是甚至就在几年前，它还仅仅只是一种科学幻想，因为找不到一种合适的材料来制造足够强度的缆绳。随着近年纳米技术取得的突破性进展，建造一部现实的天梯已经成为可能，预计其建造成本约100亿美元，远少于超过国际空间站或航天飞机计划的投资。 组成 　　平衡锤：平衡锤是一个比较重的物体，放置于同步轨道上方。 　　缆绳：缆绳是一条十分长且结实的绳子，上粗下细，用于连接地面与平衡锤。 　　货舱：货舱用于装载货物，它可以顺着缆绳在空间和地面之间上下移动。 　　地面基站：地面基站用于将缆绳固定在地面上，并为货舱的移动提供能源，能量通过激光传送到货舱。 核心部件 　　    天梯概念艺术图天梯的核心部件将是碳纳米管合成缆绳，它只有几厘米宽，几乎只有一张纸那么厚。碳纳米管发现于1991年，它的发现使科学家认为天梯是能够建成的。Spaceward Foundation的布拉德利·爱德华兹（Bradley Edwards）博士称，“以前，找到合适的材料难度太大了。但现在，我们离实现这一目标越来越近，因为在制造碳纳米管和有效的拉丝机方面都取得了进展，这种拉丝机能将制作伸向太空的缆绳所需的材料拉得足够长。” 　　碳纳米管在强度上可能会比钢高100倍，但却像塑料一样柔韧。碳纳米管之所以会有如此高的强度，是因为它们具有类似于足球的独特结构。一旦科学家们能够用碳纳米管制成纤维，那么就有可能制作出形成天梯缆绳所需的细丝。以前考虑的材料要么是强度不够，要么是不够柔韧，无法制成缆绳，而且易断。 　　太空电梯公司的研究主管汤姆·纽金特（Tom Nugent）说，“这种材料具有非常高的弹性模量，并且它们的抗张强度也非常高，而且，理论上使天梯相对容易建造的所有材料特性，这种材料都具备了。” 　　有两种方法可以制作缆绳： 　　用数米或更长的长碳纳米管编成类似绳子的结构。截至2005年，最长的纳米管也只有几厘米长。 　　可以将较短的纳米管置入到聚合物基中。目前的聚合物与碳纳米管之间结合得不够紧密，因而在拉紧时会将基质拉离碳纳米管。 　　一旦制作出长碳纳米管缆绳，就会将它缠成一个轴状物发射到轨道中。当太空船载着这个轴状物飞至特定高度（可能是近地轨道）时，它就会开始将这个轴状物散开，使缆绳落回到地球上。同时，这个轴状物会继续向上运动到更高的高度。当缆绳落入地球的大气层时，就会有相应的装置捕捉到它并使它继续下落，最后将它锚定到海洋中的一个移动平台上。这条缆绳有点像铁轨，将用作进入太空的航线。这样，就可以用机械升降机顺着这条缆绳上升到太空中。 使用 　　    升降机尽管缆绳仍是一个处在概念阶段的部件，但天梯的所有其他部件均可以利用现有的技术制造出来，这些部件包括机械升降机、锚站和光束动力系统。到缆绳制造出来时，其他部件也差不多都准备好了，在2018年左右即可实现发射。 　　升降机 　　机械升降机将顺着缆绳升入太空。升降机上的滚轮夹紧缆绳，滚轮胎面与缆绳之间的摩擦力往下拉绳索，这样，摩擦力产生的反作用就会使升降机得以顺着天梯向上攀爬。 　　锚站 　　    锚定平台天梯的下端将连在赤道附近的太平洋海域中的一个移动平台上，该平台将缆绳锚定在地球上。 　　平衡站 　　缆绳的最顶端将有一个很重的平衡站。在早期的天梯计划中，曾考虑捕捉一颗小行星并将它用作平衡站。但是，在太空电梯公司和科学研究所（ISR）最近关于天梯的计划中，多数还是考虑使用人造平衡站。实际上，可以将用来制造缆绳的设备（包括用来发射缆绳的太空船）组装成平衡站。 　　动力光束 　　升降机将利用位于锚站或锚站附近的自由电子激光系统来提供动力。ISR称，这种激光会将2.4兆瓦特的能量传送给附着在升降机上的光电池，这种光电池可能由砷化镓（GaAs）制成，然后光电池可以将这些能量转化成电能以供传统的铌磁直流电电动机使用。 　　一旦投入使用，升降机几乎每天都可以在天梯上往返运动。升降机的大小各异，最初为5吨，最大可达20吨。20吨重的升降机的有效载荷可达13吨，其内部有900立方米的空间。升降机将以约190公里/小时的速度顺着缆绳向上运载货物，所运货物从人造卫星到太阳能电池板，五花八门，最后它还将载人上天。 保持正常运转 　　位于100,000公里的高空中时，天梯将很容易遭到包括天气、空间碎片和恐怖分子在内的许多危险因素的破坏。随着天梯从计划阶段走向设计阶段，开发人员开始考虑这些危险因素及相应的克服办法。实际上，为了确保始终都有可以使用的天梯，开发人员计划建造多个天梯。从第一个天梯开始，后续天梯的建造成本将依次递减。第一个天梯将用作其他天梯的建造平台。开发人员通过这样做来确保在某一个天梯遇到问题的情况下，其他天梯仍能继续向太空运送人员和物资。 　　避开空间碎片 　　与空间站或宇宙飞船一样，天梯将需要具备避开碎片、人造卫星等轨道物体的能力。锚定平台将采取主动回避措施来保护天梯免遭此类物体的破坏。目前，北美防空司令部（NORAD）所跟踪物体的大小都在10厘米以上。保护天梯需要配备轨道碎片跟踪系统，它能够探测到大小为1厘米左右的物体。目前正在为其他空间计划开发这项技术。 　　“我们的计划是将缆绳锚定到海洋中的一个移动平台上，”太空电梯公司的汤姆·纽金特（Tom Nugent）说，“实际上你可以来回移动锚定点的位置，从而将缆绳拉离人造卫星的航道。” 　　防御攻击 　　将天梯置于偏远位置将是降低恐怖分子攻击风险的最佳方法。举例来说，第一个锚定点将位于赤道附近的太平洋海域，与任何空中航线或海洋航线的距离至少为650公里，这是太空电梯公司透露的信息。任何攻击都只能威胁到天梯的一小部分装置，即15公里处及以下的所有装置。此外，天梯将是十分宝贵的全球资源，可能会受到美国及其他国家/地区军队的保护。 研究进展 　　    太阳景观的概念艺术图天梯对全球带来的潜在影响力堪与另一项伟大的运输成就美国洲际铁路相媲美。这条洲际铁路于1869年在美国犹他州的普瑞蒙特瑞（Promontory）竣工，它首次连通了美国的东海岸和西海岸，加快了美国西进运动的进程。这条铁路建成后，横贯全美的旅行只需几天就可以完成，而在此之前则需数月。它还开拓了新的市场，诸多全新的产业皆因它而兴起。到1893年，美国已建成五条洲际铁路。 　　天梯这一想法与洲际铁路有许多相通之处。天梯将开创地球与太空之间永恒的连通之门，这道门永远都不会关闭。虽然它不会加快太空之行的速度，却能使太空与地球之间的往来更为频繁，并将开创一个崭新的发展时代。天梯的建成将大大降低向太空运送货物的成本，或许这就是促成天梯这一想法的最大动力。尽管天梯的升降机比采用化学推进的宇宙飞船慢，但这种升降机却将每公斤的发射成本从22000到44000美元降到900美元左右。 　　据“天梯——NIAC第二阶段最终研究报告”（The Space Elevator, NIAC Phase II Final Report）的作者布拉德利·爱德华兹透露，目前估算的天梯建造成本为60亿美元，法律法规方面的费用为40亿美元（爱德华兹就是布拉德利·卡尔·爱德华兹博士，他是“碳设计”（Carbon Designs）公司的总裁和创始人。）。相比之下，1971年预测的宇宙飞船计划的成本为52亿美元，但最终却耗费了195亿美元。此外，宇宙飞船每飞行一次都要耗费5亿美元，这一数字超过当初估算的50多倍。 　　天梯可能会取代宇宙飞船成为主要的航天器，并将用于人造卫星部署、国防、旅游和其他开发。再往后，太空船将顺着天梯的缆绳攀升至太空中，然后再朝向其主目标发射。这种发射方式所需的燃料更少，因为它省下了采用传统方式发射时冲出地球大气层所需要的部分燃料。有些设计人员还认为，天梯可以建在包括火星在内的其他行星上。 　　NASA曾资助爱德华兹博士的研究长达三年。但在2005年，它仅给研究天梯的各家公司提供了2800万美元的奖金。尽管它仍然非常关注这一计划，但眼下它更愿意静观其变，等待出现更为实质性的进展。