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一條纜繩從海上設(shè)施一直延伸到空中，其上端可到達9.6萬公里高空，這是地球與月球之間距離的約四分之一。如果乘坐沿著這條纜繩上下的電梯，任何人都能到達太空。日本大型建筑公司大林組于2012年2月在該公司的宣傳雜志上，公開了這種天方夜譚一般的“宇宙電梯”構(gòu)想（圖1）。

圖1 大林組的宇宙電梯構(gòu)想 2012年2月在該公司的宣傳雜志上公開。利用兩根多層碳納米管纜繩，連接地面基地和靜止軌道上的空間站，利用名為“爬行器”的電梯上下。

建筑公司的25年計劃

如果太空業(yè)務(wù)民營化順利發(fā)展，勢必會帶來用途的多樣化與太空結(jié)構(gòu)體的大型化。能夠經(jīng)濟地運載大量乘客和物資的技術(shù)也必不可少。但現(xiàn)在，唯一的運載工具只有火箭，而火箭為了擺脫地球重力，必須裝載大量燃料，因此運載效率很難提高。發(fā)射時燃料在火箭總重量中所占的比例高達90％。因此在目前，使用火箭運載時，運載每公斤重量需要花費100萬日元左右。如果宇宙電梯能夠?qū)崿F(xiàn)，便可降至每公斤數(shù)萬日元。而宇宙電梯可解決這一問題，實現(xiàn)安全而高效的運載。

大林組設(shè)想的2030年宇宙電梯所需技術(shù)已完備，并在此基礎(chǔ)上，針對纜繩分析了地球重力、離心力、風(fēng)力、溫差及其他外力所導(dǎo)致的伸縮等多種情況，制定了宇宙電梯施工計劃（圖2）。該公司打算從2025年開始在地面上建造用來固定纜繩的地面基地（Earth Port），經(jīng)過25年的施工，于2050年竣工。

圖2 宇宙電梯的施工過程 用兩根纜繩連接設(shè)置于靜止軌道的建筑用途太空船和地面，以爬行器加固纜繩后，建造靜止軌道空間站等設(shè)施。

首先將于2030年向300公里（近地軌道）的高空運送兩條20噸的纜繩和用于建筑的組裝太空船的部件及材料。用火箭發(fā)射合計約125噸的纜繩和材料。組裝太空船配備有可利用電磁力推進的Magneto Plasma Dynamic（MPD）發(fā)動機，在繞地球運行的同時上升至3.6萬公里（靜止軌道）高空。發(fā)動機所需要的能量通過來自于地面的激光束提供。

太空船到達靜止軌道之后，會移動至建造宇宙電梯的預(yù)定位置。太空船在此處垂下兩條頂端裝有推進器的纜繩，同時繼續(xù)上升。推進器到達地面基地后，太空船將上升至9.6萬公里高空。纜繩被固定在地面基地，太空船則變成在離心力作用下保持纜繩拉緊狀態(tài)的平衡錘。

之后，裝載有加固用纜繩的最大重量為880公斤的爬行器便會從地面基地出發(fā)。爬行器抓住兩條纜繩，在上升的同時為兩條纜繩粘合加固纜繩。爬行器以時速40公里的速度上升，最多可使用8臺爬行器、以懸吊在纜繩上的形式進行加固。推動爬行器前進的能量由地面和設(shè)置在靜止軌道的中繼衛(wèi)星利用激光束提供。最前面的爬行器到達9.6萬公里高空之后會像太空船一樣，起到平衡錘的作用。

發(fā)射火箭之后的第18年零5個月，多達510次的纜繩加固工程結(jié)束。隨后，將沿著纜繩向靜止軌道運載建筑材料，以建造利用太空環(huán)境的最新技術(shù)的研發(fā)基地 “靜止軌道空間站”、在具有與火星和月球相同重力的高度建設(shè)用于宇航員訓(xùn)練等的“火星重力中心”和“月球重力中心”、用來向近地軌道投放人造衛(wèi)星的“近地軌道衛(wèi)星投放口”、前往火星的出發(fā)點“火星出發(fā)口”。建筑材料將使用最大重量為100噸的爬行器運載。該爬行器具備上下錯行機構(gòu)，以200公里的時速往返于太空和地面之間。

缺少可以制作纜繩的材料

如上所述，這一構(gòu)想以所需技術(shù)全部完備為前提。但實際上，這一前提實現(xiàn)起來卻非常困難。

首先，最大問題在于纜繩使用的材料。從大林組的構(gòu)想來看，纜繩使用“多層碳納米管”。碳納米管重量輕、抗拉強度大、彈性好，因此一直被業(yè)界認(rèn)為是制作宇宙電梯纜繩的最佳材料。但是，大林組工程本部環(huán)境技術(shù)第二部首席工程師石川洋二指出：“在碳納米管的研究方面，利用該材料的高導(dǎo)熱性等將其作為功能材料的研究非常多，而將其作為結(jié)構(gòu)材料的研究卻幾乎沒有進展。”

比如，使用多層碳納米管作為宇宙電梯的纜繩時，要求具備最大150GPa的拉伸強度。雖然理論上可以實現(xiàn)這一數(shù)值，但現(xiàn)在只能達到60～70GPa左右。而且，目前的現(xiàn)狀是，現(xiàn)有技術(shù)無法制作9.6萬公里的多層碳納米管纜繩。要將多層碳納米管用作纜繩，至少也必須是沒有接頭的1公里左右的單一分子，但目前，碳納米管的長度只能達到數(shù)毫米左右。此外，用多層碳納米管纜繩來制作長纜繩的技術(shù)也沒有確立。

沿著纜繩升降的爬行器也需要很多革新性技術(shù)才能實現(xiàn)。比如，確保能在嚴(yán)酷的太空環(huán)境運行的可靠性的技術(shù)、抓住在風(fēng)力等影響下?lián)u動的纜繩上升的驅(qū)動機構(gòu)及其控制技術(shù)、將驅(qū)動機構(gòu)和纜繩之間產(chǎn)生的摩擦熱散發(fā)出去的機制等。 因太空為真空環(huán)境，所以無法象在大氣中那樣散熱。

此外，還有利用激光束向衛(wèi)星及爬行器提供能量的技術(shù)、預(yù)測太空中超高速飛來的物質(zhì)（垃圾）并盡可能躲避的技術(shù)，以及對劣化或損壞的纜繩進行維修的技術(shù)等，要解決的問題堆積如山。而且，除了技術(shù)之外，建設(shè)成本問題、超越國家界限來保證安全性的制度等多種問題都現(xiàn)實存在。

派生技術(shù)將催生新市場

但是，作為大林組這一構(gòu)想的總指導(dǎo)的日本大學(xué)理工學(xué)院教授青木義男表示：“即便如此，宇宙電梯仍具有研究價值。”青木的專業(yè)是精密機械工程學(xué)，同時還是日本國土交通省“電梯等事故調(diào)查組”的委員。最近，還參與了迅達電梯公司（Schindler）的電梯事故調(diào)查，以及在東京地鐵公司的地鐵站發(fā)生的電梯墜落事故的調(diào)查。在開發(fā)用于宇宙極限環(huán)境中安全穩(wěn)定運行的宇宙電梯的過程中，其開發(fā)成果便能不斷反饋到地面電梯中。懷著這種想法，青木從2008年前后開始研究宇宙電梯。目前，青木還是日本“宇宙電梯協(xié)會”的副會長，正在開發(fā)爬行器所需要的基礎(chǔ)技術(shù)。該協(xié)會的目的是進行宇宙電梯研究并提高宇宙電梯的社會認(rèn)知度。 

圖3 研究宇宙電梯的日本大學(xué)理工學(xué)院青木研究室 青木義男教授的專業(yè)是精密機械工程學(xué)，同時還是日本政府設(shè)立的電梯等事故調(diào)查組的委員（a）。由研究室的學(xué)生開發(fā)的兩臺爬行器。正以實現(xiàn)宇宙電梯為目標(biāo)，研究用來升降的驅(qū)動機構(gòu)等基礎(chǔ)技術(shù)（b）。

青木認(rèn)為，“要實現(xiàn)宇宙電梯，需要將開發(fā)過程中誕生的技術(shù)獨立出來，不斷開拓新用途”，作為宇宙電梯的派生技術(shù)，他還在研究“平流層平臺”技術(shù)。平流層平臺是一個將搭載有通信設(shè)備及觀測傳感器的無人飛船發(fā)射至高20～40公里的平流層、用作廣播電視及通訊中轉(zhuǎn)站和觀測系統(tǒng)的構(gòu)想。盡管從2000年前后就開始進行實用化研究，但目前存在的課題是如何固定飛船飄浮的場所。其原因是，雖然平流層與下面的對流層相比，氣流十分穩(wěn)定，但仍有秒速為25米左右的風(fēng)。因此，青木正在利用宇宙電梯的構(gòu)思，研究通過芳綸纖維等制成的纜繩將飛船連接至地面來固定的技術(shù)。（日經(jīng)技術(shù)在線！ 供稿）