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太空電梯是一種無需使用火箭即可將物體從地球表面提升到外太空的概念性航天運輸手段。其建造實現方式是使用一根非常堅固的線纜，從地球表面延伸到地球同步靜止軌道35786公里的高度，并使這條線纜所受引力與繞地球同步自轉所需的向心力相等，從而使線纜保持張力并固定在地球上的一個位置上。然后使用者從地面就可以將有效載荷連接到這條線纜上，并通過機械方式將載荷提升到太空。

太空電梯的概念來自125年多來多位專家的貢獻。1895年，俄國航天理論先驅康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基首先提出了一座太空高塔的想法。1959年，蘇聯科學家尤里·阿爾蘇塔諾夫提出了拉伸結構的想法，即利用地球同步軌道(GEO)中的衛星向地球發送系繩，將任務載荷拉進太空。1966年四位美國科學家在《科學》雜志上發表了一篇關于他們的“天鉤”的論文。1975年美國人杰羅姆·皮爾遜發表了他的“軌道塔”概念。1979年，亞瑟·克拉克在他的科幻小說《天堂之泉》中將這一概念傳播給了更多的受眾。

太空電梯的最大技術限制來自于對材料提出的極高性能要求，其抗拉強度需要達到100GPa。太空電梯的纜繩材質最有希望的是碳納米管，因為它的抗拉強度和輕質特性最符合要求。此外層空間電梯軌道配重也是另一大難點。方法包括在太空電梯的頂點建造一個巨型空間站或者直接捕獲一個小行星。

太空電梯的優勢包括有可能大幅度降低發射成本，促進近地空間的開發。從地面到地球同步軌道的空中電梯是一個潛在的太空大規模運輸系統，創建一個完整的內太陽系運輸基礎設施，減少對火箭系統的使用。同時為地球輸送電力，減少環境污染。但是太空電梯也面臨巨大成本、材料科學、外太空垃圾等環境威脅等方面的挑戰。

概念發展

原始設想

將從地球表面建造一座塔樓，來通往太空、天空或天堂的想法，可以追溯到人類最早的手稿。公元前6世紀摩西的著作《創世紀》中，提到在公元前2100年左右古代美索不達米亞的巴比倫城，曾經試圖用磚和瀝青建造一座通向天堂的塔樓——巴別塔，該書第28章還提到雅各夢見了一座通向天堂的樓梯或階梯，通常被稱為雅各梯。

1895年俄羅斯人康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基發表了手稿《關于地球和天空以及關于維斯塔的思考》，其中就首次提出了太空電梯的概念。他在這一系列手稿中的第38篇中，想象了一個特殊的高塔，這一高塔頂部和底部細長如紡錘，不接觸地表，而是從地球同步軌道延伸到地面，其重力與離心力保持平衡。這就是最原始的太空電梯的概念。但齊奧爾科夫斯基撰寫這些概念，是一種帶有科幻色彩的思維實驗，是通過想象來討論各種重力現象，而不是實際的工程設想。齊奧爾科夫斯基在手稿中也承認建造這樣的高塔是不可能的。

早期方案

宇宙鐵路

1960年7月31日蘇聯的《共青團真理報》上，刊登了圣彼得堡的一位名叫尤里·N·阿爾茨塔諾夫的年輕工程專業學生提出的一種更可行的建造太空電梯的方案。阿爾茨塔諾夫稱現有火箭進入太空的效率太低，而且充滿危險。而他設計了一種“宇宙鐵路”的概念，即從地球同步衛星上使用石墨纖維等超強材料制作的纜繩降至地球表面，同時纜繩的另一端從同步衛星向遠離地球的方向延伸，連接配重的物體。

這樣整個纜繩的中心相對于地球保持靜止。而配重的物體實際是在超過地球同步軌道的60000公里的太空站，乘客在地面乘坐電磁場驅動的火車，沿著纜繩前往60000公里高的太空站。阿爾茨塔諾夫稱這根纜繩是地面細，而太空的頂端最粗，因為要承受巨大的離心力。阿爾茨塔諾夫被后人視為太空電梯的兩位獨立創始人之一，盡管他的想法缺乏任何數學精確處理，但包含足夠的概念細節。盡管如此，阿爾茨塔諾夫當時刊登文章后卻沒有得到足夠的關注。

軌道塔

1975年，美國航空航天局（NASA）和空軍研究實驗室的航天工程師杰羅姆·皮爾遜在《宇航學》雜志發表了一篇題為《軌道塔：利用地球旋轉能量的宇宙飛船發射器》的文章，該文章成為太空電梯進入科學界乃至全世界的權威文章，也是第一篇數學上詳細闡述太空電梯設計原理，具有科學和工程意義的文章。皮爾遜通過詳細計算認為。太空電梯的平衡配重不應該在60000公里高的太空，而是更高的144,000公里處。

甚至在他的計算中，如果能制造14萬公里長的纜繩，就不需要真正的平衡配重塊，因為線的長度和質量以及離心力足以保持整個結構的穩定。而在14萬公里長的纜繩末端，任何一個物體僅靠地球旋轉的離心力，就具有抵達火星和土星的逃逸速度。杰羅姆·皮爾遜還指出制造這種超長纜繩的材料是某種完美的石墨晶體。這種材料強度極高，同步軌道高度的纜繩直徑僅比地表纜繩直徑大10倍。皮爾遜計算要建造一個底部橫截面面積為50平方厘米、錐度比為10的軌道塔所需的材料重量，將需要一架航天飛機進行約24,000次飛行，這架航天飛機的有效載荷是美國航天飛機的30倍。

其他

除了康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基、阿爾茨塔諾夫和皮爾遜，還有一些人也提出過類似太空電梯的概念。例如在1966年，約翰·伊薩克斯等四位美國工程師聯合發表論文，討論過建造太空電梯所需的材料類型，認為其強度需要達到任何現有材料的兩倍以上。1967年，蘇聯科學家弗拉基米爾·列夫在《科學》雜志上發表了一封長篇詳細信件，稱阿爾茨塔諾夫在1960年提出了“天堂索道”的想法。1999年美國航空航天局（NASA）專家大衛·斯密瑟曼編制了關于太空電梯概念的詳細研究報告，并得出結論認為這種廉價的進入地球同步軌道的交通方式可能在21世紀后期成為現實，并大幅降低進入太空的成本。2003年另一位美國科學家布拉德利·愛德華茲提出了使用長達100,000公里碳納米管建造太空電梯的想法。愛德華茲預計太空電梯能將發射到軌道的成本將降低到預計的每千克100美元左右。2009年皮特·斯旺和大衛·雷特組織了一項詳細研究，評估潛在太空電梯的現代設計和應用。在為期四年的研究中，來自世界各地的約四十位專家研究了相關問題，分析了這種獨特的交通基礎設施的合理性。他們認為太空電梯建成后，更合理的發射價格將為每公斤500美元左右。

基本原理

重力和離心力平衡

傳統的類似高塔的結構，不可能實現太空電梯這類建筑，因為塔的底部沒有足夠的強度來支撐其余結構的重量。因此更可行的太空電梯是一種通過各種力互相支撐達到平衡的結構，也就是太空電梯的重力和太空電梯繞地球旋轉的離心力取得平衡。通過計算發現，要維持一個太空電梯平衡的狀態，這個電梯系統的質心應該位于地球同步軌道的高度。提高質心的手段就是增加配重或者大幅度延長系統的長度。

長度和質量

太空天梯的結構上，在處于地球同步軌道高度的的部分，重力和離心力相等，因此兩端的張力也必須相等以實現平衡。對于低于地球同步高度的結構，重力超過離心力，因此為了實現平衡，電梯的結構張力從地面到地球同步高度的高度而增加；對于高于地球同步高度的結構，重力小于離心力，因此電梯結構張力從地球同步高度到最頂端應該逐步減少。因此這個太空電梯的結構就是地面張力為零，在地球同步高度達到最大值，然后在頂端再次降至零。由此可以算出要達到這樣一個狀態，太空電梯的長度應該是144000公里。如果這個電梯由鋼制成，其密度為每立方米7900公斤，最大應力達到382 GPa，超過了鋼的抗拉強度60多倍。

如果使用碳納米管作為太空電梯的纜索，假設其密度為1300公斤每立方米，整個纜索的長度為1000000公里，設計為平均厚度為1微米的帶狀纜索，寬度從地面水平的5厘米增加到地球同步高度的11.5厘米，那么電梯纜索的總質量為97.7噸，相應的配重質量為52.7噸。

電梯運動

盡管太空電梯有電梯的名字，但和地面使用的電梯有很大不同。由于巨大的長度，太空電梯的線纜長度是最小化設計的，因此地面上電梯有提升載荷的移動線纜，而太空電梯只能通過攀爬器來自己獲得升到地球同步軌道高度的勢能。如果使用汽油動力，500公斤的攀爬器需要攜帶6720公斤的汽油才能到達地球同步軌道。如果使用激光或者無線傳輸能量來驅動電動機，那么200千瓦激光器持續照射能讓攀爬器在4天內到達地球同步軌道。

建造概念

在人類進入太空時代后，建造“太空電梯”才這一科幻概念才真正進入發展和完善的過程。盡管不同國家的專家都提出過比較詳盡的太空電梯建造和發展的概念路線，但距離實際工程應用還有相當的距離。甚至一些科學家和工程師認為太空電梯不可能完成。以下是一些可能的建造方式：

纜繩建造

1991年，首次制造出碳納米管。碳納米管的理論拉伸強度為130 GPa，鋼材的拉伸強度小于5 GPa，凱夫拉的拉伸強度為3.6 GPa。碳納米管的密度（1300公斤/立方米）也低于鋼和凱夫拉材料。由于太空電梯的結構就是地面應力為零，在地球同步高度達到最大值。因此地球同步軌道處電纜的橫截面積與地球處電纜的橫截面積之比（也就是錐度比）應該越小越好。如果使用鋼材錐度比將是1.7×10^33，凱夫拉的比率大約是2.6×10^8，而碳納米管的比率僅為1.5。日本大林安尼普株式會社提出的“太空電梯”計劃就使用了96000公里長的碳納米管線纜。

為了太空中微流星的撞擊，纜繩的形狀應該是大寬度以及窄厚度的帶狀環氧樹脂-納米管復合材料，其中60%為碳納米管，40%環氧樹脂。為了進一步減少電纜中環氧樹脂組分的質量，可以使用交替的復合材料和裸露納米管組成的區段進行構建。這將使得復合電纜的質量中環氧樹脂占比不到2%。這種設計還意味著構建纜繩所需的最小納米管長度約為4毫米。目前的技術已經能夠以120微米/小時的速率生產出幾平方厘米的平行、緊密排列的長度為50微米的納米管。另一種生產工藝在不到30分鐘內生產出了一個尺寸為10毫米×50毫米的納米管糾纏網絡。

如果碳納米管技術成熟，可以首先研制一根總長為11.7萬公里長的納米管帶，地球端為5厘米寬、1.5微米厚，而地球同步軌道端為15厘米寬、1.5微米厚，總質量為5噸。能夠承受132公斤的爬升器。

前期發射

如果研制完成第一根5噸重纜繩的研制，那么將使用火箭發射能夠攜帶初始纜繩的衛星或者飛船進入地球同步軌道。實際的纜繩應該有兩個軸，以便可以分別向兩個相反的方向進行部署。一端受重力作用朝向地球前進，另一端受向外離心加速度作用向遠離地球方向運動。一旦兩端都完全展開，地球一端將被收回并固定。在電纜固定后，一直處于地球同步軌道上的宇宙飛船將沿著電纜向外移動，成為電纜遠端的平衡配重。這將完成對一個穩定的、最簡易的太空電梯的雛形。

現在主流的大型運載火箭，完全可以把5.5噸的載荷發射到地球同步軌道。載荷中除了5噸重的碳納米管線纜，還有太陽能供電、基本的姿態控制、通信和指令系統。實際設計的最難點，是釋放纜繩的兩個軸。因為它要在發射階段承受5噸重的初始線纜。

線纜擴充

在第一條線纜完成部署后，將使用爬行器沿著線纜攀升，同時展開附加的線纜。爬升器的配重為528公斤，攜帶1根694米長、重量為316公斤的線纜。爬升器攜帶的線纜展開后，將加固第一條初始線纜。加固完694米后，剩余的212公斤爬升器將繼續上升，最終沿著線纜來到地球同步軌道外側成為配重。爬升器的動力來源是微波或者激光無線傳輸電力。按照46千瓦的傳輸功率計算，爬行器爬升到13000公里高度的0.1G重力點，將需要116小時，每秒爬升速度約30米。如果每116小時發送一個爬升器，并將線纜強度增加1.5%，則線纜的提升能力將每232天翻倍一次，40個月后線纜的總質量將達到20噸。使用這根20噸的初始線纜，每232天可以再生產出1根20噸的太空天梯線纜。在3.5年內20噸重的線纜就能變成1000噸。日本大林株式會社提出的“太空電梯”計劃則是首先部署1根20噸的太空電梯線纜，然后用18年的時間建設總重為300根以上的線纜，總重超過7000噸，需要爬升器進行510次工作。

配重設置

配重的作用是把整個太空天梯的質心提升至地球同步軌道并在末端保持結構的張力。因此有的太空電梯設計是捕獲小行星作為電梯的配重。不過目前人類所掌握的航天技術還不足以捕獲尺寸重量符合標準的小行星并將其送入預定軌道。日本大林安尼普株式會社提出的“太空電梯”計劃配重達到了12500噸，包括近地軌道中轉站、同步軌道空間站、地月軌道中轉站、火星探索中轉站和太陽系深空探索中轉站。

錨定點選擇

太空電梯錨定點位置必須靠近赤道，但對緯度的沒有明確的硬性限制。這是因為赤道將對線纜產生恒定的離心力。選擇錨定點位置的一個考慮因素是方便向爬升器傳輸能量。在海拔高于6公里的地方，微波傳輸效率超過90%，也有利于激光傳輸能量。但對人類工作環境來說，可能需要將海拔高度降為為5公里。功率傳輸站距離錨點不要超過10公里。第二個考慮因素是錨定點位置不要有大風和嚴重風暴，選擇赤道附近的位置一般可以可以避免氣旋風暴。第三個考慮因素是雷擊。研究表明在較高的海拔地區，雷擊頻率減少。赤道附近一個明顯沒有雷電的地區是厄瓜多爾沿海的東太平洋區域，第二個地區位于坦桑尼亞海岸。綜合來看較佳的錨定點位置在厄瓜多爾或肯尼亞以及坦桑尼亞山區。

爬升機構

和常規高樓大廈電梯廂使用的支撐軌道和導向輪不同，太空電梯使用的爬升機構是一種電磁推進的磁浮列車系統。磁懸浮技術的好處是爬升機構在太空電梯的升降過程中都不和線纜接觸，減少了磨損降低了維護壓力，另一個優勢是可以在制動階段回收電能。研究顯示從地面爬升到地球同步軌道所需的能量約為60兆焦耳/千克。如果使用與ISS太陽電池陣等效的能量系統，產生約為60瓦特/千克的能量，爬升到地球同步軌道需要12天，平均每小時125公里。這類系統一般是用來進行施工和維護。如果是為了輸送人員，將行程時間縮短到約10小時，則需要大約1千瓦/千克的功率水平，能達到2000公里/小時的速度。如果為了輸送物資和航天器，可以使用速度更高的電磁發射系統。電磁發射系統的優點在于效率高，如果使用超導線圈，效率可以超過90％。2009年美國一個研發團隊獲得了美國NASA德萊頓飛行研究中心舉行的太空電梯爬升器挑戰賽的第一階段勝利，贏得了90萬美元的獎金，爬升器的速度是4米/秒，不過所有參賽者的爬升器都無法達到5米/秒的目標。

其他相關設施

太空運輸系統

建立一個成熟的從地球到GEO的太空運輸系統，是太空電梯的前提和基礎。該系統包括從地球到近地軌道（LEO）的發射系統，從近地軌道（LEO）到同步軌道（GEO）的空間轉移系統，以及從地球到同步軌道（GEO）的運輸支持設施。這些運輸系統不僅能用于太空電梯的建設，而且有利于刺激太空經濟的發展，這才是建設太空電梯的大環境。這個運輸系統必須使用多功能且高度可重復使用的航天器。地球到近地軌道的發射系統包括各種次軌道、助推發射和單級入軌（SSTO）可重復使用航天器。近地軌道到地球同步軌道使用裝備化學推進和電推進器的可重復使用載具。從地球到地球同步軌道的運輸支持設施將包括空間站和維修平臺，以及一個燃料生產、交付和儲存系統網絡，來支持太空中的經濟增長。

太空太陽能電站

太空電梯在一開始建設時，就可以具有太空太陽能電站的功能。由于碳納米管具有導電性，因此用于建立初始連接的第一個地球到同步軌道的線纜就可以用作直接電力線路。最初，電力將通過線纜從地面向地球同步軌道傳輸，以支持施工工作。太空電梯建成后，如果線纜表面覆蓋太陽能電池薄膜，那么太陽能收集面積達到3600萬平方米。屆時太空中的電力將通過線纜傳回地面。這種直接電力傳輸方法可能比通過地球大氣層進行激光和微波功率傳輸的方法更有效。

組裝、維護和修復系統

為了建設和維護太空天梯系統，需要建立兩個環境的組裝、維護和修復系統，一個是從地面到近地軌道，另一個是從近地軌道到地球同步軌道。在初始的線纜模塊被發射到同步軌道并開始釋放后，需要在大氣中組裝一座50公里高的塔樓，并連接到從同步軌道懸掛下來的線纜系留結構。這需要新型的高空施工平臺，包括重型空中飛艇、高空氣球以及可重復使用的火箭。而從近地軌道到地球同步軌道，需要一個以自主型機器人為主的系統，能夠自行完成太空組裝、維護和修復系統。

優點

太空探索方面：太空電梯有可能大幅度降低發射成本，降至每公斤10美元甚至更低的水平。這將極大促進近地空間的開發。從地面到地球同步軌道的空中電梯是一個潛在的太空大規模運輸系統，類似于地球上的公路、鐵路這類基礎設施。一個延伸至地球同步軌道之外的空中電梯可以無需推進劑就提供更大的逃逸速度，可以讓航天器更便捷地達到月球、火星，甚至水星和土星。未來在地球、月球和火星都可以興建空中電梯，這樣就創建一個完整的內太陽系運輸基礎設施，減少對火箭系統的使用。

地球開發方面：通過研發建設太空電梯的高強度材料，能減輕地面設施和交通工具的結構重量，減少地球上的燃料消耗。可以憑借空中電梯在軌道上建造大型太陽能系統，并幫助將能源輸送到地球上。這可以結束對煤炭的露天采礦，減少發電廠的排放，降低溫室氣體的產生，對全球變暖問題產生積極影響。依靠太空電梯能夠開發防御小行星撞擊地球的技術。太空電梯還能將重污染的工業產業轉移到太空，進一步減少地球的污染。

問題挑戰

材料科學

修建太空電梯關鍵在于纜繩。因為纜繩產生的離心力會超過一般材料的抗拉極限。因此纜繩材料質量分布必須均勻，且具備極強的抗拉伸能力。1991年，日本科學家首次發現碳納米管，這是一種由單層或多層結晶度較好、呈正六方形的石墨碳，圍繞某一軸心彎曲而成的無縫納米級管，具有極高的強度。其強度理論計算值是鋼材料的100倍，同時它質地柔軟，具有很強的韌性，因此被認為建造太空電梯纜繩的理想材料。但是現實是呈正六方形理想碳納米管很難生產出來，一般實驗室只能生產微米級別，最先進的技術也只能生產約半米長的碳納米管成品，這離修建太空電梯的數萬公里長度需求還有很遠距離。

環境因素

太空環境對太空電梯的線纜以及其他設施有負面影響，其中在近地軌道主要是氧原子氧、太空碎片、等離子體以及紫外線（UV）和真空紫外線輻射效應。而在地球同步軌道主要是帶電粒子、紫外線和真空紫外線輻射以及流星體。在200-900千米高度的氧原子對軌道速度下的太空器具有顯著影響。它會侵蝕有機薄膜和聚合物材料，氧化金屬，并對材料的熱光學性質、導電性、反射性、真空密封能力和強度產生負面影響。預計氧原子將侵蝕裸露的太空電梯的碳納米管結構。直徑僅有幾毫米太空碎片或者流星體就有可能損壞防護層，甚至可能穿透壓力容器，導致嚴重破裂。電離層等離子體對于碳納米管這種材料的影響是會發生材料侵蝕并發生化學變化。紫外線輻射會使許多材料變黑，改變聚合物材料的光學性質和熱控制涂層。地球同步軌道的帶電粒子將會降低碳納米管的強度、柔韌性和導電性。

安全問題

太空天梯完全有可能發生完全斷裂這種最嚴重的災難性的事故。這種故障可能是由太空物體的撞擊、整個結構的過度振動或來自溫度變化或軌道動力學的未預料的結構應力引起的材料破壞。如果太空天梯發生斷裂，低于25000公里高度的物體將會掉回地球，從25000到47000公里高度釋放的物體將進入地球近地軌道，47000千米高度以上物體將逃離地球軌道。空中電梯的災難性故障可能會導致政治、法律、財務和生態災難，造成大量人員傷亡。

建造成本

太空電梯的建造成本巨大。最不樂觀的估計，太空電梯需要300年時間才能建成。而美國美國航空航天局專家研究認為可能在15-50年內建成。如果在15年內建成運營，投資將達到100億美元。其中純技術上的投資為65-70億美元。但批評者認為太空電梯項目從來沒有解決投資成本與回報平衡的問題，太空電梯最終的發射成本仍然無法確定。而同時現有的可重復火箭或者未來的單級入軌空天飛機，也能夠顯著降低發射成本，因此太空電梯的優勢并不明顯，但是技術的風險卻極高。1971年航天飛機計劃的成本預計為52億美元，但最終花費了195億美元。航天飛機每次飛行的成本為5億美元，比最初估計高出50多倍。這證明太空天梯的成本預測也未必能反映實際的運營成本。

探索計劃

國際組織

國際太空電梯聯盟（ISEC）

布拉德利·愛德華茲博士于2002年在西雅圖地區發起國際太空電梯會議，并在2003-2008年舉行4次會議。其中在2008年7月在華盛頓州雷德蒙德舉行的太空電梯會議上嗎，會議各方決定成立國際太空電梯聯盟 (ISEC-International Space Elevator Consortium)。ISEC除了定期舉行會議之外，每年還資助一個重點主題的研究，以確保太空電梯項目中的學科取得進展。第一次是在2010年，評估了空間碎片的威脅。第二項研究和由此產生的報告重點關注太空電梯的運行概念。此外ISEC還定期舉行國際合作活動和競賽來推動太空電梯領域技術發展。

衍生概念

月球電梯

1972年，一名叫詹姆斯·克萊恩的美國人致信美國航空航天局，提出了建立“月球纜繩”計劃來支持后續阿波羅登月的概念，他提出的概念是建設一個長度小于地球和月球之間距離的纜繩或其他張力結構，一段連接到月球表面，另一端并向上延伸到地球附近。當電纜在地球的引力與月球的引力中平衡的時候，它將保持在平衡點。這就是首個月球電梯的概念。克萊恩提出的線纜將由硅玻璃纖維制成，取材自月球表面豐富的二氧化硅。但NASA對該方案不感興趣。1977年蘇聯航天專家阿圖羅維奇·欽德提出在地月平衡點建立錐形月球太空塔的概念。1978年美國的兩位專家漢斯·莫拉維克和杰羅姆·皮爾遜也分別提出了建立月球電梯的概念。月球電梯的好處是可以更方便地把月球月壤中的氧氣和極地月冰等資源運到地日L1拉格朗日點，來支持太陽能太空電站以及儲存液氧液氫等太空推進劑。同時太陽能太空電站通過月球電梯還能夠向月球輸送電力。

火星電梯

1978年，美國專家漢斯·莫拉維克提出通過新的凱夫拉材料，在火星上建立太空電梯也是可行的。他認為火星比地球更有利于建設太空電梯，因為火星重力小自轉速度高，因此更有可能通過常規材料建設火星電梯。1984年美國科學家保羅·彭佐發表了一篇名為“火星空間運營纜繩”的論文。他設想將火衛二作為火星天梯的配重，然后利用火衛一建立低軌道火星電梯，首先利用纜繩從火星表面運輸貨物到火衛一，然后通過火衛一轉移到火衛二。火星電梯的特點是利用火衛一和火衛二具有接近火星赤道的軌道傾斜度，因此依托這兩個衛星，能夠使用現有材料建設火星運輸基礎設施，支持對火星系統的持續探索和開發。例如有觀點認為使用凱夫拉材料制作的太空電梯，能夠將20噸載荷從火星低軌道轉移到火星-地球轉移軌道。

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