• 宇宙迷宮|太空升降機(李偉才)

  • 發布日期:2021-03-20 10:00
  • 宇宙迷宮|太空升降機(李偉才)

 

如果我跟大家說,我們將有一天可以乘坐升降機上太空,你必定以為我在開玩笑吧?

相信大家都聽過《傑克與豌豆》(Jack and the Beanstalk)這個英國童話。話說魯鈍的傑克按照媽媽的叮囑,把家裡一頭瘦牛帶往市集出售。豈料半途被人用一袋豌豆種子把牛騙走了。回家後傑克被媽媽狠罵了一頓。但他把種子栽種後,種出來的豌豆愈長愈高,最後竟然高至肉眼所不能見的天空。傑克沿著豌豆爬上天空,並在那兒有一番奇遇…

不錯,我是說這個童話中的情節會有一天成真。只不過靠的不是魔法豌豆,而是最尖端的科技。

其實「太空升降機」(Space Elevator)這個概念並不新鮮。十九世紀末,有「太空飛行之父」稱譽的俄國學者齊爾考夫斯基(Konstantin Tsiolkovsky)便已提出了「地球同步軌道」(geosynchronous orbit)這個概念,亦即只要一個物體以35,800公里的「高度」環繞地球運行(地球的直徑是12,800公里左右),它的環繞周期將是24小時,因此對於地球上的人來說,它會好像固定在天空上的特定位置。今天,這個「同步軌道」已經滿布各種各樣的人造衛星,以至有「星滿之患」。

早於二十世紀初,便有科學家異想天開:假設我們能夠建造一條足夠長的「天梯」直達一顆這樣的「同步衛星」,我們不是可以像傑克一樣,沿著梯子直抵太空嗎?想想這會節省多少火箭發射的燃料…

人們很快便指出,更為現實的做法不是建造天梯,而是從處於同步軌道那兒的一個太空站,把一條纜索緩緩地放下,直至它抵達地球表面,然後將它固定下來。只要我們在纜索上裝上運載艙,我們不是可以乘坐升降機上太空了嗎?

工程師們很快指出,與地球上的纜車索道一樣,整個系統要達至力學上的平衡,我們必須沿著背向地球的一端伸出另一條纜索,然後在末端安置一個大質量的「平衡錘」(counter-weight)。但這只屬一個技術上的細節。

那麼技術上的「大節」是什麼呢?

這個「大節」可真大了。這兒我們必須懂一點天體力學的基本原理。原來按照萬有引力作用,一個物體環繞著一個天體(如地球)運行,它的距離愈遠則環繞周期愈長。例如離地面只有500公里的「低地軌道」(Low Earth Orbit,簡稱 LEO),周期約為90分鐘,而這也是人類能夠環繞地球一周的最短時間。(因為軌道再低,物體便會感受到地球高層大氣的拖曳作用。)

相反,位處384,400公里以外的月球,環繞地球一周需時約28天。而我們剛剛則看過,位處35,800公里的同步衛星的周期是24小時。情況很清楚了,如果我們用一條纜索把太空站和地面連接起來,那麼纜索上的每一點都「想」以不同的周期(速度)來環繞地球,而不是被固定後的24小時。請試想一想,構成纜索的物質所要承受的撕裂拉力將有多大?

從另一個角度看,大家可有想過,一座百多二百層高的摩天大樓,底層所要承受的重量有多大?那麼,一幢35,800公里高的「大樓」呢?

簡單而言,要實現「太空升降機」的夢想,我們必先要製造出一種能夠承受極大壓力和拉力的超級物質。

科幻小說家當然可以假設這種物質已經研製成功。在這方面,科幻界出現了著名的「雙胞案」:科幻大師克拉克(Arthur C. Clarke)於1979年發表的《天堂的噴泉》(Fountains of Paradise),以及由查爾斯‧謝菲爾德(Charles Sheffield)於同年出版的《世間之網》(The Web Between the Worlds)。論可讀性前者高很多,但唸工程學的則非看後者不可了。

李偉才

科普達人

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