“通天塔的概念像圣经一样贵老，知道现在仍是人类野心与狂妄的标志。那么，人类到底能不能修剪出直通天空的高塔呢？”
“康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基可能是第一个探讨此类建筑物理特性的人，他的基本思路是：如果你能兴建一座足够高的建筑，那么就可以到达一个特定的高度。在这里由于行星自转产生的离心力的大小，正好能够抵消行星的全部引力。在这一高度被放开的物体将不会向地面坠落，而是停留在地表上空的同步轨道中。”
“这就是通天塔，也就是宇宙电梯的来源。听起来的确有点疯狂，不过这个计划有很多吸引人的地方。”
“想象我们有一颗行星同步轨道上的卫星，现在把它纵向拉长，同时非常注意上下两端的平衡，以至于它的质量中心始终保持在行星同步轨道上。如果我们一直都非常小心，或许就能吧其中一端延伸到地面上。我们在吧地面端固定，让另一端远远的深入太空。基本上，这个就是太空电梯的雏形。”
“虽然太空电梯一直是个相当热门的主题，也有相当多的影视作品在描述这样的情景。但是他们仅仅是一种祈愿而已。一言以蔽之，太空电梯存在的最主要原因就是能源。理论上讲，利用太空电梯运送人员或者卫星前往同步轨道的成本，要远低于发射火箭的方式。”
“事实上，由火箭方程可以看出，很多能源都是被浪费在携带燃料的需求上了。而有了太空电梯，这类需求可以完全消失。”
“理论上，你可以用任意慢的速度离开行星，因为他的自转就可以完全消失。理论上，你可以用任意慢的速度离开行星，因为它的自转就可以为你提供克服引力的力量。事实上，如果电梯从地表向上延伸的长度有46000公里，那么从顶端释放的卫星就能完全摆脱行星引力的影响。后面我们会推算太空电梯运送物资需要的能量值，与火箭相比，数额要小的多。”
“房屋、敲了和其他建筑，大致可以分为两种类型：一类是通过压力支撑，也就是被耸立起来的；另一类则是部分或者主要利用拉力，也就是被吊起来的。”
“如何建造一座建筑，取决于建筑材料的耐压和抗延展性能：有些材料非常耐压，但张力耐受性能差；另有些材料非常适合承受张力，但抗压性能不堪一用。”
“欧洲的城堡、埃及和中美洲地区的金字塔，都是完全依靠材料耐压性能的绝佳建筑案例。通常的建筑，都会同时受到压力和拉伸力的影响。”
“尽管在摩天大楼和斜拉索桥的建设过程中，很多时候都要考虑张力的因素，但是说到底，他们还都需要地面来停过支撑，也就是依然需要考虑压力因素。”
“任何接触地面的建筑，都需要至少一部分耐压支撑结构。但太空电梯却是一个例外。基本上，他就是一条很长的缆线或者绳索。因为悬空的绳索没有任何有材料挤压产生的支持力，只能完全依靠拉力来支撑。不过，它具体的支撑力方式还有些复杂之处。”
“想象太空电梯中位于同步轨道之下的一段，比如地表以上200公里，与航天飞机同样的高度。正如前面所述，轨道越低，卫星停留在轨道所需的速度越快。航天飞机只要90分钟就能环绕行星一周。但天空电梯的这个组成部分，飞行的速度却远远低于这个高度对应的轨道速度。如果对于它不施加任何外力，它就会坠落到星球表面。制止它掉落的力量，来自太空电梯上紧接着的上面一截。根据牛顿第三运动定律，比如有一个向下的力，将上面一截电梯向下拉。与此类似，电梯处在行星同步轨道以上部分的运动速度，高于相应高度对应的轨道速度，因而倾向于离开行星飞走，要靠下面部分向下的拉力才能留在原处。”
“综上所述，行星同步轨道以下的部分将天体向下拉，而同步轨道以上的部分则把它想上车，这就带来了内部张力。”
“太空电梯中的张力非常巨大。在这里，我们可以来一次草算，看看我们的建筑结构强度必须达到何种水平。”
“电梯承受的力，就是它的有效重力，可以用以下算式得出。T=MG=ρGLA”
“其中L是电梯长度，A是它的界面剂，G是建筑的有效重力加速度。对于一根很短的线缆来说，他可以是行星的重力加速度。但是这里的电梯长度太长了，沿塔上行期间，G的实际值会渐渐减小，一旦越过同步轨道的高度，方向就会反转。”
“我们感兴趣的参数，并不是拉力本身，而是线缆承受的单位拉力强度，其数值等于拉力除以截面积。Y=GLρ”
“如果我们把电梯长度设为14万公里，刚才密度设定为8000千克每立方米，最大拉力约为10的12次方牛每平方米。这个估计值是精确计算结果的3倍，但还是能正确说明问题。不幸的是，钢铁这段前能够承受的最大拉力仅有2.5X10的8次方牛每平方米。低了大约4个数量级。刚才绝对是不能用的，那么能找到其他有用的材料吗？”
“委托的严重程度，看一个预估的建筑高度就可见一斑。对任何一种材料，都可以借助以下算式得出其断裂高度。h=Y/ρg”
“其中Y是材料断裂前能够承受的最大拉力，也被记座材料的弹性限度。事实上，如果我们选用某种材料做成场所，将其挂在我们的太空电梯上，上式中的h就是它被自身重量扯断时的长度。对刚才来讲，h的数值约为3公里，或者说比我们的电梯必要长度短5万倍。”
“要建造这样的结构，最理想的材料应该轻且强韧。目前可选的最佳材料是碳纳米管纤维。这是一种碳化合物，其分子链呈长管状排列，按每千克承重能力计算，他比钢材强韧100倍以上。根据纸面数据和1g/cm3的密度值，可算出它的断裂高度为1000公里。如果我们打算用一根线缆建成太空电梯，这样的强度依然不够，但还有些其他方案，让建造容易很多。”
“目前为止，使用这种纤维的太空电梯最佳设计方案，主张采用一种锥状结构。行星同步轨道处最粗，向上和向下双方向逐渐变细。这个锥形结构设计成整体拉力到处都一样的形式。其高度达到了惊人的15万公里，几乎是到卫星距离的一半。这种结构的有点显而易见：行星同步轨道的张力最小，因而最适合集合最大部分的质量。整个结构的形状，取决于其表面的斜率，也就是同步轨道处的厚度与地面厚度之比。”
“按照这种设计思路，加上碳纳米管的情之特性，整个建筑结构仅有150吨。其设计目的，则是让电梯能够运送10吨质量的货物。”
“这种碳纳米管目前所面临的问题是，还没有人造出过长度超过几厘米的此类材料，当然前提是你们星球上。”
“将它们硬生生延长至15万公里，肯定是一项兼具的工程学挑战。而且很有可能出现的问题是，一旦讲这么多纤维合并，他所产生的合力根本比不上多条单根纤维的拉力之和。”
“宇宙电梯面临的另外一个难题，是在它建成之后如何将物品运输上去。目前的设计需要有‘爬升器’，本质上就是能够自行爬上线缆的机器人。”
“如果仅仅考虑重力的影响，行星表面的任何物品都可以堪称是坐落在一口深井的底部，要废很大力气，才能爬出井底。根据质能守恒定律，要把一个质量为m的爬升器从地表送达行星同步轨道。就要求我们不足势能差额，也就是E=GMm/r。”
“我们不必担心货物的动能，因为行星自转的动量会通过高塔传送给货物。如果我们有10吨货物，需要提供的能量就是5.3X10的11次方焦。要提供这部分能量，一份设计方案主张用自由电子激光将电力照射到爬升器上的太阳能电池上。其它注意还包括使用线缆传送的太阳能或电能等。不过就算这些计划能够实现，还需要好好考虑下期间发生的成本。”
“首先需要说明的是，这一过程势必产生一定的能量损失。先来看使用激光的方案：首先，我们必须把电能转化为激光，这一过程的效率约为10%。然后激光必须设想爬升器，被太阳能电池吸收，并再次转化为电能。目前能够买到的宽光谱商用太阳能电池的能量转化效率约为20%。由于激光仅有单一的波长，就可以选用适当材料提高其能量转化效率。”
“目前，你们激光的转化效率可以达到60%。那么整体效率就将是e=0.1X0.6X0.6=0.036(3.6%)。”
“所以，让这10吨货物进入同步轨道的能量需求就将是E=1.5X10的13次方焦。假设每度电的成本是0.1元，那么电力总承包就将是40万。这比当前利用火箭发射的每千克2万成本便宜大约500倍。世上有这么好的事吗？”
