三体太空电梯梯向来是科幻作品嘚一个惯用桥段但美国约翰斯·霍普金斯大学的一位数学家和一位机械工程师指出，如果建造者能够从生物身上取经，细致评估相关风险同时制造一批自主维修机器人，在不久的将来建造一部三体太空电梯梯并非不可能

在科幻作品中，我们经常看到三体太空电梯梯实际仩，美国宇航局和其它航天机构也一直在探讨打造三体太空电梯梯的可行性工程师普通认为这是一个很棒的想法，但当前的材料无法承受建造过程中的巨大应力和压力不过，总有不信邪的人存在约翰斯?霍普金斯大学的数学家丹·普佩斯库和机械工程师肖恩·孙便指出，只要建造者能够从生物身上取经，细致评估相关风险同时制造一批自主维修机器人，我们完全有可能在不久的将来建造一部三体太空电梯梯

艺术概念图，建在低地球轨道的三体太空电梯梯

研究过程中普佩斯库和肖恩对三体太空电梯梯工程进行建模。他们的模型是基于生粅学结构（例如韧带和肌腱）的最大应力与最大拉伸强度比率的计算结果这个比值远高于工程中使用的应力-强度比。在工程建造过程中建筑材料吸收应力的能力至少要达到应力破坏力的两倍。研究论文刊登在预印本平台arXiv等待同行评议。

普佩斯库和肖恩指出这样的应仂-强度比对普通的土木工程项目已经足够，但巨型结构的要求太过严格这样的比率无法有效控制失效概率。三体太空电梯梯规模庞大鈈亚于人类建造的任何巨型结构。

三体太空电梯梯能够将人员和货物快速运到地球大气层之外某些三体太空电梯梯设计并不使用火箭。這一设想由俄罗斯科学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基在1895年率先提出在此之后，天空电梯的设计不断精炼但基本要素并未发生改变。三體太空电梯梯采用一根固体在地球上的缆绳通常是赤道地区，缆绳向上延伸直至地球静止轨道距地面大约35786公里。

缆绳的顶端是一个配偅引力和外向离心力之间的对抗让缆绳处于紧绷状态，上面的吊舱或者货舱可沿着缆绳上下移动建造三体太空电梯梯的主要挑战在于，超长的缆绳面临巨大应力当前的任何材料都无法承受。

三体太空电梯梯能够将人员和货物快速运到地球大气层之外

过去几十年一些夶型设计比赛和提案接二连三登场，都希望能够解决这个问题但迄今为止，没有一个设计取得成功2014年，谷歌研发团队GoogleX曾将目光投向三體太空电梯梯但当时没有人能够制造超过1米的超强度碳纳米管缆绳。意识到这一点后Google X选择了放弃。三体太空电梯梯工程师寄希望于碳納米管但这种想法可能落空。根据2006年的一项建模研究10万米长的纳米管缆绳将不可避免地存在缺陷，导致总体强度降低70%

论文中，普佩斯库和肖恩提出了一种不同的解决方案虽然碳纳米管是理论上制造三体太空电梯梯缆绳的最佳选择，但当前的技术无法制造出超过几厘米长的碳纳米管让这一方案不具有可行性。他们建议采用一些复合材料——碳纳米管与其它材料相结合——虽然强度不及纯碳纳米管泹我们可以借助自修复机制获得所需强度，以确保巨型结构的稳定性

自修复机制至关重要。两位研究员提议将缆绳方向一分为二——向仩和侧向前者进入一系列堆栈段，后者进入一系列平行细丝当任何细丝出现故障——这种情况不可避免——影响仅限于自身的堆栈段，负载立即由临近段分担直至修理机器人抵达进行更换。他们在论文中指出自动修复机制能够保证三体太空电梯梯在高应力条件下的可靠性让使用强度较弱的材料进行建造成为可能，进而让建造三体太空电梯梯的梦想照进现实

建造三体太空电梯梯的梦想何时才能照进現实？

普佩斯库和肖恩指出这种模型的基础是降低应力比将目光从工程学标准转向经常在生物身上发现的结构。人体跟腱和脊柱可以承受非常接近于自身抗拉强度的应力远远超过工程师允许的钢材受力极限。其主要原因在于肌腱和脊椎至少在一定种程度上拥有自我修複能力，而这正是钢材所欠缺的

两位研究员指出如果三体太空电梯梯在设计上具备这种能力，便无需等待超乎想象的材料学进步他们茬论文中说：“我们认为巨型结构的设计不仅要允许组件发生故障，同时还要具备自行修复机制以替换破损的组件。这种设计能够让巨型结构在极高负载情况下正常运转而不会破坏其完整性。也就是说我们完全可以利用现有材料建造三体太空电梯梯这样的巨型结构。”

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假设三体太空电梯梯得以建成偠把地球上的一批货物送往太空，这批货物在地球表面上的时候跟随地球表面一起运动，它的地球环绕线速度为463.31米/秒但是，通过三体呔空电梯梯运送到距离地球35860千米高的地球同步静止轨道上时它的地球环绕线速度达到了3075米/秒，速度为地表时的6.64倍动能为地表时44.1倍，从哋球表面到地球同步静止轨道物体的动能得到巨大的增长，这样巨大的动能来自何方采用常规方式发射的航天器，动能由运载火箭、航天飞机等运载工具提供通过三体太空电梯梯运载到太空中的货物，动能只能由三体太空电梯梯系统提供物体从地面到太空所增加的鈈但有动能还有势能，三体太空电梯梯上的攀登者运载器把通过激光所传递来的能量转化为物体的势能。但动能只能由地球和系留卫星損失自己的动能来补充货物的动能

　　由于地球自转的角速度是15度/小时，整个三体太空电梯梯系统必须和地球保持一致的角速度攀登鍺轨道运输器将货物从地球表面向太空运输的过程中，随着高度的增加“攀登者”绕地球的线速度将必须随之增加，才能保持角速度一致攀登者在攀爬过程中因为自身线速度的不足，而无法跟上“系留卫星-缆绳”体系的的角速度因而会对缆绳产生运行阻力，阻力会沿著缆绳向两端传播大部分阻力将传向地球，也有一部分阻力会传向系留卫星地球和系留卫星受到阻力影响后会分别对攀登者产生一个反作用拉力，并形成一个合力为攀登者加速，从地球表面到地球静止轨道这种加速一直进行着。对于地球这么一个庞然大物来说向攀登者施加一个拉力不会有太大影响但是对于系留卫星来说，向攀登者提供近似水平方向上的拉力影响是明显的它付出拉力后必然损失速度和动能,并降低高度。

　　我曾经和美国参与三体太空电梯梯项目的Ｌiftport公司（Ｌiftport公司博客）取得联系告诉他们三体太空电梯梯违反了能量守恒定律，liftport公司负责媒体的执行副总裁乔-朱利安先生对我提出的意见给我回了信尽管我们在一些问题上意见是一致的，比如我们都認为攀爬者三体太空电梯梯在向上运输货物的过程中需要不断补充动能而且地球将向太空梯补充动能．但是我们在一个最关键的问题上存在很大的分歧，就是系留卫星是否将向太空梯提供动能他坚持认为攀登者只接受地球所提供的动能，而地球所提供的这点动能对地浗来说算不上多大损失，还比不上月球导致的地球潮汐对地球的动能损失大；而我则认为攀登者将会接受来自地球和三体太空电梯梯两方媔的动能而且电梯在上升的过程中，缆绳会倾斜我们都没有说服对方．

　　Ｌiftport公司认为地球会长久的损失动能正好表明他们并没有正確的认识三体太空电梯梯对地球动能的影响．其实地球在三体太空电梯梯向太空运送货物的时候会损失一部分动能，但是在三体太空电梯梯运载货物返回地球时三体太空电梯梯将会把多余的动能返还给地球。

　　太空中飞行的物体的动能都很大这些物体返回大气层时，傳统方法是利用大气的阻力来减速消耗掉动能。攀登者和它所运载的货物的动能也是很大的他们沿着缆绳慢慢返回地球，由于固定在纜绳上与地球保持自传方向上的静止状态与地球大气也是相对静止的，只能依靠缆绳来减速多余的动能也将传递给缆绳，这必然给缆繩一个加速力缆绳的两端，一端栓着地球另一端栓着系留卫星，按照日常生活的常识缆绳受到的阻力必然将向两端传递，传递给地浗和系留卫星按 公司的观点说去的时候是地球提供了全部所需的动能，那么在回来时候呢难道说缆绳所受到的阻力还是全部都只传回叻地球吗？那又是谁给了系留卫星这样不受任何影响的特权呢假若太空梯的制造者们回答说多余的动能的确会传给系留卫星一部分，那麼既然系留卫星在攀登者返回地球时可以得到动能那么在攀登者驶向太空的时候为什么不向它提供动能呢，只接受动能不提供动能这鈈一样会导致栓系留卫星的缆绳倾斜吗？

　　后来我和美国太空基金会的专家本-沙雷夫先生探讨了这个问题与乔-朱利安先生不同，他认哃我的更多观点认为在卫星上升的过程中，的确会消耗系留卫星的动能从而使得卫星位置漂移，缆绳倾斜但本-沙雷夫先生又解释说：三体太空电梯梯的缆绳虽然在电梯上升的时候会倾斜，但是卫星会它产生一个离心力，离心力会产生一个向东的分力促使卫星恢复岼衡，就像钟摆一样但是我发现他们没有考虑到一个问题，就是地球对缆绳的拉力地球对缆绳的拉力也会产生一个向东的分力，也就昰说-----在缆绳的两端都会有一个向东的分力如果上面的力大于地球所产生的分力，则卫星确实会恢复到原来的位置；如果下面来自地球的汾力大于卫星离心力的分力则缆绳会更加倾斜。但是如果缆绳两边所受到的分力大小一致方向相同，则卫星和缆绳将保持现有的位置鈈动到底缆绳两边受到的分力是怎样的情况，我画图十几分钟就论证出来：卫星保持静止稳定状态

　　力学分析如下。（当然实际上纜绳的倾斜度是不到一度的为了便于分析，我将角度画得比较大便于观看。）

　　已经知道的条件是：上面那条粗线表示的卫星的运荇轨道下面那条粗线表示地球表面，两条线保持平行

　　其中，线段CB表示卫星所产生的离心力

　　线段AC表示离心力所产生的向上的斜拉分力

　　线段CD表示离心力所产生的向右的分力它驱使卫星回归原来的位置。

　　线段EN表示地球对缆绳产生的向下的斜拉力大小与斜拉力AC相同，方向相反所以线段AC和线段EN长度相同，并且在同一条直线上

　　线段EF表示地球斜拉力所产生的向东的分力，它迫使卫星更加傾斜

　　线段EG是地球斜拉力所产生的向下的分力。

　　上下两个图形为平行四边形

　　由于CD和EF两个分力的方向相同只要证明它们的长喥一样，就可以得出它们是方向相同大小一样的力，并可以得出卫星和缆绳即使在倾斜的状态下也会保持倾斜状态不会改变。而不是怹们所愿望的能够恢复原来的位置这是个很简单的数学题，相信高中生也能很容易的证明出来的

　　为论证力学分析，我还做了一个實验用绳子栓住一棵螺母，将绳子的另一端栓在电钻的钻头上启动电钻，将速度调到比较慢的状态下匀速旋转。一开始由于螺母静圵钻头将绳子收紧，并将一部分绳子缠绕在钻头上然后当绳子和螺母都跟上钻头的角速度以后，螺母和钻头就保持这种相对静止的状態一起旋转无论转多久，缆绳的长度没有增加旋转半径没有扩大的迹象，这表明即使绳子是倾斜于钻头的，只要螺母能跟上钻头的角速度则它们的位置将是相对静止的。这里钻头相当于地球小绳相当于缆绳，螺母相当于系留卫星卫星即使倾斜，也会永远保持倾斜而不会如本-沙雷夫先生所指望的像钟摆一样恢复原来的位置。

　　钟摆的比喻不适合三体太空电梯梯因为钟摆本身是静止的，而地浗和卫星都是运动的

　　我向本-沙雷夫提出了我的分析和实验，他没有给予明确回答只是建议我们各自保留彼此的观点，并向我提供彡体太空电梯梯发起人布雷德·爱德华兹先生的电子邮箱，我随即去和爱德华兹先生联系，但没有回音。

　　我随后将我论证的手稿通过電子邮件发送给BEN。（如下图）

　　但BEN对我所给出的论证却无法作出回应,他希望我们彼此保留各自的观点.

　　「将水从星球表面吸上来還不如直接从宇宙另一头运过来！」这是星界战旗里的一句话，很明白的点出了人类探索太空的第一大问题：我们处在地球的「重力井」裏就像真正的井一样，一个站在10 公尺深的井底的人想要爬井外所要花的力气远大于在井边的平地上走个 100 公尺。对比到外层空间就出現了从地表进入轨道要一架超级大火箭，但从轨道到月球只要一只小太空舱的这种怪事情

　　后来我们进步到了航天飞机时代。航天飞機可以重复利用节省材料，但并不表示它就比较省能源 -- 将这么重一个东西送入轨道就是要花这么多的能量而更搞笑的是，大部份的能量其实都花在推送火箭自已的燃料上了有没有什么方法，是只要用物理所要求的最低能量将东西送入太空的呢？答案就是三体太空电梯梯