流浪地球太空電梯設計圖(流浪地球太空漫游)

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本文目錄一覽：

1、流浪地球2硬科技能否實現(xiàn)
2、太空電梯是哪個小說
3、流浪地球2的太空電梯是什么
4、人類把最精密的保密系統(tǒng)都用在了哪里

流浪地球2硬科技能否實現(xiàn)

流浪地球2的太空電梯存在技術可行性，但難度依然很大，是否能夠實現(xiàn)，還有待觀察。

《流浪地球2》是系列電影中首次出現(xiàn)了太空電梯這一設施。航天員乘坐的飛行器，就像普通人乘坐的電梯一樣通過某種材料制成的“纜繩”上下往返于空間站和地面。實際上“太空電梯”這一設想并非《流浪地球2》獨創(chuàng)，其很早就出現(xiàn)在各類科幻小說、電影等作品中。

現(xiàn)實中要實現(xiàn)“太空電梯”是存在技術可行性的，但主要難點在于要找到合適的材料。受限于工作環(huán)境，一根太空電梯的電纜需要有足夠大的強度，還要能承受宇宙中的各種極端條件等。

流浪地球2的機器人和外骨骼能應用：

在電影中，還出現(xiàn)了外骨骼以及各種形式的機器人這樣的裝備。例如電影中用于工程建設時的工程外骨骼，以及輔助軍人、航天員作戰(zhàn)、工作的特種外骨等。

機器人方面，有外型類似小狗的月面機器人，還有門型機器人等。這些機器人能夠適應不同環(huán)境、不同工作場景輔助人類，甚至在危機時刻還能起到救死扶傷的作用。其實外骨骼和機器人早已經(jīng)在現(xiàn)實世界中的多個領域開始應用。

流浪地球太空電梯設計圖(流浪地球太空漫游) 建筑方案施工

太空電梯是哪個小說

《三體》中流浪地球太空電梯設計圖的太空電梯流浪地球太空電梯設計圖，有可能成為現(xiàn)實嗎？

中科院物理所

回答于 2023-01-21

《流浪地球2》中出現(xiàn)了太空電梯的身影

導讀：

劉慈欣的長篇科幻小說《三體》的動畫片版已于去年年底在B站上映，電影《流浪地球2》將在今年春節(jié)的1月22日開始在全國各大影院閃亮登場。它們有一個共同特點，就是里面都有太空電梯的場景。太空電梯只是科幻嗎？會有真正實現(xiàn)的那一天嗎？

撰文｜龐之浩

國外科幻片中的太空電梯

記得小時候看過一本18世紀德國著名的兒童文學作品，書名為《吹牛大王歷險記》。書中的主人公為了到月亮上撿回流浪地球太空電梯設計圖他扔上去的銀斧，就在地上種了一粒土耳其豌豆，豌豆苗生長很快，不久就長到天上去了。他順著豆藤向上爬，僅一個多小時，就成功爬上了月亮。于是，這根能通向月亮的豆藤就永遠刻印在了我的心里?；孟肟偸悄敲疵利?。不過，這美麗的幻想，或許真的能照進現(xiàn)實。

很久以來，人類就夢想通過建造太空電梯上天，并一直不斷努力。有研究表明，這個夢想將在本世紀實現(xiàn)。2021年11月，國際太空電梯聯(lián)盟主席斯旺表示，未來太空電梯作為永久性物流基礎設施，可將物資和人員運到太空，成為進入太空的新通道。

太空電梯示意圖

SAIXIANSHENG

科幻將變現(xiàn)實？

用一根粗大的吊索，一端固定在位于地球赤道上的平臺上，另一端緊緊抓住距地面約3.6萬千米、在地球靜止軌道上運行的航天器，就可使一個形似電梯的吊箱載著貨物、人員沿吊索駛向太空……這就是一些國家研究人員正在嘗試設計的太空電梯。

現(xiàn)在，進入太空的主要工具是運載火箭，即通過消耗大量燃料來擺脫地球引力。運載火箭所攜帶的燃料要占到火箭總重量的90％以上，每運送1千克有效載荷上天平均需耗資至少1萬美元。

雖然太空電梯造價昂貴，但不需要動用大量燃料，因此建成之后的運行費用比運載火箭低兩個量級，且可像高速公路一樣24小時運轉，將航天器、物資和包括旅游者在內(nèi)的人員帶到太空去。英國一項測算顯示，用太空電梯運送1個人和貨物的費用相當于用航天飛機運費的0.25％。國際宇航科學院秘書長讓·米歇爾·康坦表示，利用太空電梯運輸，每千克物資運輸成本約為500美元，比使用火箭每千克至少要花1萬美元更便宜的多。

太空電梯的概念最早由俄國科學家、航天學之父齊奧爾科夫斯基在20世紀初提出，他曾建議利用一個太空繩索系統(tǒng)，在空間站之上形成人造地心引力。此后，俄國早期太空預言家塔斯安德爾也提出在地球與月球之間搭建一條繩索連接的太空電梯，他認為地心引力能夠讓繩索伸展開來，使其成為用于運送負荷的空中索道。1965年，蘇聯(lián)航天技術總負責人科羅廖夫組織中央機器制造設計局開始為第一個太空繩索設備做準備，打算用一條鋼纜將聯(lián)盟號宇宙飛船與運載火箭的末級進行連接。不幸的是，這一工程在科羅廖夫去世后就被中止。1979年，著名科幻大師克拉克在其小說《天堂噴泉》再次提出太空電梯的概念，并引起了廣泛注意，因為它具有理論基礎和科學依據(jù)，但存在一系列非常復雜的工程學問題，最大的挑戰(zhàn)在于沒有人能造出數(shù)萬千米長的超強纜繩。

用氣球試驗太空電梯繩索

后來，在2003年9月15日在美國圣達菲召開的研討會上，俄羅斯和美國等國家的70多位科學家和工程師對太空電梯進行了討論，最終一致認為它將在21世紀內(nèi)變成現(xiàn)實。這個曾被視為科學幻想的革命性工程近些年有了較大進展，并有多種方案。

美國電梯港集團公司的太空電梯廣告

其中，美國電梯港集團公司正在研制的太空電梯可以一次運送30名乘客，在6個小時內(nèi)抵達10萬千米外的太空。一旦建成，目前地球上運程最長、達800多米的迪拜塔電梯無疑將被遠遠甩入塵埃。

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基本原理簡單

2018年9月25日，日本用貨運飛船把一對用于世界首次太空電梯試驗的立方體衛(wèi)星送往“國際空間站”。接著又從“國際空間站”釋放了這對邊長為10厘米的立方體衛(wèi)星，它們之間用長約10米的纜索連接；然后嘗試把一個像電梯吊箱的容器通過電動機轉動的纜索從一端移動到另一端。

這是人類首次在太空中移動纜索上的容器，也邁出了人類實現(xiàn)太空電梯的一步。

太空電梯的原理并不復雜，基本上就是用一條長長的纜繩一端固定在地球上，另一端固定在地球同步軌道的平衡物(如大型衛(wèi)星或空間站)上。在引力和向心加速度的相互作用下，纜繩繃緊，太空電梯將利用太陽能或激光能沿纜繩上下運動。

具體說就是用一根粗大的吊索，一端固定在位于地球赤道的平臺上，另一端緊緊抓住在地球靜止軌道運行的航天器上，這樣就可使一個形似電梯的吊箱載著貨物沿吊索駛向太空。

太空電梯由四大件組成：基座、纜索、電梯艙和動力系統(tǒng)。

基座是太空電梯在地面上的基礎結構。基座必須選在地球赤道地區(qū)，可以建在陸上，如高山頂上或高塔尖上；也能建在海上，像一個巨大的港口，世界各地的旅客和物資通過海、陸、空交通運輸源源不斷地來到這里，然后乘坐或裝上太空電梯的電梯艙運往太空。

纜索是太空電梯的關鍵技術和設備。制造纜索的材料必須有很高的拉伸強度/質(zhì)量比，可大規(guī)模生產(chǎn)，并且還要造價低廉。

電梯艙是乘坐人員和承載貨物的部位，功能跟傳統(tǒng)電梯一樣，但原理和結構不同。電梯艙雖然也是沿著纜索向上爬，但從天上垂下一根超長的繩子來將電梯艙吊上去是不太可能的，它要“自己想辦法”爬上去。最簡單的方法是在電梯艙上裝馬達，帶動夾著纜索的一組輪子轉動，從而取得向上的拉動力。馬達的電源可以從纜索上取得，也能用裝在電梯艙上的發(fā)電機，但這兩種都會增加電梯艙的重量。比較省重量的方法是在電梯艙上安裝調(diào)諧太陽電池板，然后從地面發(fā)射激光將電梯艙“射”上去。

其上升動力有多種方案，可采用太陽能、核能和電磁場等。但目前研究表明，采用激光和微波方式比較合適。

標準的太空電梯升降廂

聽起來很美，但如何構建它呢？

首先，要建造一個基座平臺，這個平臺要位于一個暴風雨、閃電和巨浪較少的海域,還要遠離飛機的航線和衛(wèi)星的軌道。太空電梯必須能防雷擊，否則它將容易被斬斷。

接著，發(fā)射卷有纜索的航天器到太空，讓纜索的一端借助重物墜回地面，最終與地球上的平臺相連接，同時，另一端連接位于太空的航天器上展開。地球自轉時，太空電梯纜索就會產(chǎn)生向上的離心力，而地球的重力將纜索往下拉，這樣纜索就平衡了。

最終，將履帶軌道固定在纜索的兩端，并且依靠從地面發(fā)射的激光轉換成的電能作為動力加以推動。它將建造成為管狀形的通道，沿軌道來回運行時，可以將航天器、各種貨物和乘客帶入太空。他們可以乘座太空電梯沿管道升降。

運行在地球靜止軌道太空電梯的示意圖

現(xiàn)在，美國航空航天局和歐洲航天局等著名航天機構都參與到了太空電梯合作中，但令科學家們最頭疼的是研發(fā)資金短缺。美國航空航天局太空電梯首席科學家愛德華茲估計該項目至少要花費70～100億美元。

早期的太空電梯設想

SAIXIANSHENG

俄美積極攻關

俄羅斯和美國都在研制太空電梯。其基本思路是一樣的，不同的是俄羅斯的太空電梯首先考慮的是如何從太空往地球運回物資，而美國提出的太空電梯的重點是從地面向太空運送物資。

俄羅斯擬在月球表面建立永久性基地，然后用太空電梯將貨物運至月球基地或者運回地球。盡管這種太空電梯的運行速度非常緩慢，但卻可以大幅降低人類進行太空探測的費用。俄羅斯設計的太空電梯由人造衛(wèi)星、宇宙飛船、有效載荷艙以及細長堅韌的特種索道組成。

歐洲航天局曾委托俄羅斯建造一部可以把太空物資直接從“國際空間站”運回地球的太空電梯。具體方案是：裝有貨物的太空艙從“國際空間站”通過一根大約400千米長的纜繩送回地球。雖然纜繩很長，但其重量不會超過6千克，是用特別材料制成的。進入大氣層后，纜繩會燃燒掉，之后，貨物依靠自帶的氣球繼續(xù)落向地球。但由于資金等原因,這一項目現(xiàn)已被擱置。

從海上通天的太空電梯

美國西雅圖高電梯系統(tǒng)公司的太空電梯項正在進行相關的技術研發(fā)。其核心部分是研制一條距離地球表面將近10萬千米長的纜繩。其靠近地球的一端將被固定在可能位于太平洋中部某個地方的基站，而另一端將連接到一個在太空中繞地球靜止軌道運行的物體上以充當平衡錘，它本身所具備的動力將能夠使纜繩繃緊，從而使飛行器等運載工具能夠上下穿梭。

在俄美設計的太空電梯中，太空電梯的吊索是一條可兩面使用的軌道，其周圍包裹著管道，電梯可借助磁懸浮技術在管道內(nèi)沿吊索的兩面上下對開。

由于太空電梯的纜繩要承受地心引力和離心力的雙重拉扯，所以目前建造太空電梯的最大障礙是纜索的建造，它需要用又強又輕的材料制成，并能夠經(jīng)受住大氣層內(nèi)外向它襲來的任何物體的撞擊。為此，太空電梯的概念提出后的很長一段時間里，它被認為是不可能實現(xiàn)的，因為不管用多么堅固的材料制造纜索，都承受不了太空電梯的重量而發(fā)生斷裂。

日本太空電梯繩索試驗設備

1990年，美國科學家想到了使用像鉆石一樣強韌但又高彈的納米碳管。其初步設想是：支撐太空電梯的纜繩是一束由10億條、長達10萬千米的納米碳管制成，每條納米碳管含有7.2×1017個碳原子。

從理論上講，1米寬、如紙般薄的納米管織物便足以負載太空電梯了。科學家認為，用碳納米管制成纜索可以從近地衛(wèi)星（甚至月球）懸掛到地面，不會因自重而斷裂，可以用來為太空太陽能電站向地面輸電，或制作太空電梯。

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日本雄心勃勃

1991年，日本科學家發(fā)現(xiàn)了質(zhì)量輕、強度高的碳納米管，此后太空電梯這一概念又有可能變?yōu)楝F(xiàn)實，因為碳納米管的強度是鋼材的幾十到近百倍。

日本計劃從距離地球赤道地面36000千米的地球靜止軌道衛(wèi)星上垂下一條納米材質(zhì)的電纜，利用這條電纜，再安裝升降電梯，便可以制成太空電梯了。

日本研制的碳納米管

目前，日本在碳納米管的開發(fā)方面已取得一定進展。上文提到的日本科學家在1991年發(fā)現(xiàn)的碳納米管，就是日本名古屋名城大學的飯島澄男用通電的碳煤煙研制出來的，這是一種名為巴基球的特殊原子結構。在研究過程中，飯島澄男發(fā)現(xiàn)，各種材料當它的尺度達到納米級時，它的物理特性如電、磁、熱、強度等都會發(fā)生很大的變化。碳納米管是石墨中一層或若干層碳原子卷曲而成的籠狀“纖維”，直徑只有幾到幾十納米，內(nèi)部是空的。這樣的材料很輕，但很結實，密度是鋼的1/6，強度卻是鋼的近百倍。也就是說，一根像縫衣線大小的碳納米管就能承受一輛汽車的重力。

日本大林建設公司計劃在2050建成的太空電梯，該太空電梯由6個長18米，直徑7.2米的橢圓柱形電梯間組成，時速約200千米，每次可運送旅客30位。該項目拉動電梯的纜索就將采用比鋼堅固20多倍的碳納米管材料。電梯纜線固定在地表一個定點上，然后利用地球自轉的離心力拋出去，另一頭系著一個起平衡作用的鉛墜。太空電梯電纜的中間部位是一個空間站，站內(nèi)將建設實驗設施及居住的空間。

日本設想的太空電梯

其實，為了取得平衡，避免在地球靜止軌道上的空間站因太空電梯太重被拉回地面，保持整體結構的穩(wěn)定性，在空間站的上面還要裝另外一條纜索懸浮在太空中以起平衡作用，從而緩解太空電梯承受的地球引力，即空間站位于電梯纜索的中間部位，站內(nèi)將建設實驗設施及居住的空間。這樣，纜索的總長度將達到9.6萬千米。

機廂在向太空爬升過程中的動力問題是巨大的挑戰(zhàn)。日本擬采用新干線列車技術來解決太空電梯進入太空的動力問題。日本太空升降艙協(xié)會有關負責人甚至不無樂觀地說，希望未來就像出國旅行一樣，人人都可以坐著太空電梯上太空。預計，日本的太空電梯工程總建設費用至少達到1萬億日元。

學生設計的太空電梯概念圖

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月球太空電梯

美國科學家皮爾遜曾制定過一個月球太空電梯方案:在運行于月球同步軌道上的衛(wèi)星和月球表面間建立一個“升降機”，“升降機”由人造復合纖維纜繩拴住，衛(wèi)星則好像飛翔在太空中的風箏。皮爾遜認為這一設想在理論上是可行的，因為月球引力只有地球的1/6，依靠目前科技水平制造的合成纖維纜繩已經(jīng)足夠滿足承擔運輸工作的強度要求。與此同時，在月球周圍也不存在廢棄的火箭推進器、衛(wèi)星以及其它太空垃圾所帶來的危險，又使這一計劃免除一項后顧之憂。

在這張從太空俯瞰地球的構想圖上，人類可以乘坐太陽能（或電磁）交通工具沿著太空電梯出入天庭。

他描述了一幅美妙的月球太空電梯圖畫：滿載物資和補給的纜車順著微微彎曲的月球太空電梯纜繩從天際中垂直落下，降落在月球的某一地點，地球探險者可以輕松到達月球表面任何角落，尋找地下的固態(tài)水。

也許有人會覺得皮爾遜的想法過于瘋狂，但美國航空航天局的先進概念研究所卻不這么認為。這家獨立機構在2004年就資助皮爾遜7.5萬美元用于設計其月球太空電梯。

乘太空電梯登天

2014年，由美國航空航天局前工程師邁克爾?萊恩創(chuàng)辦的電梯港集團公司宣稱，由于在月球上建太空電梯比在地球上建更容易，所以該公司可用現(xiàn)有技術在月球上建造一座太空電梯，并表示這一想法能在較快成為現(xiàn)實。其具體設想是：從月球上空5萬千米處垂向月球表面的月球太空電梯，因為月球的引力小，并且月球上基本沒有空氣，所以可以大大降低對纜繩強度的要求，只需使用一種名叫柴?。╖ylon）的高強度、高耐熱性復合纖維，就能實現(xiàn)打造月球太空電梯的夢想。

從理論上講，制造月球太空電梯的材料會比制造地球太空電梯要輕許多，其纜繩的一端固定在月球表面某個面朝地球的地點。不過，月球太空電梯較小，只能運輸200～250千克的貨物。如果用它來采集和運輸月球礦石標本，則完全足夠，這也將使月球采礦和運回地球的成本大大降低。

太空電梯方案之一

建成后的月球太空電梯還可以與地球太空電梯連成一體，將來有一天，人類只需經(jīng)過幾次換乘，就可以乘坐太空電梯從地球抵達月球了。

近年，又有一種新的太空電梯方案問世——可充氣太空電梯。根據(jù)設計和建造方案，該太空電梯將高約20千米。未來，航天員和運載火箭可先搭乘可充氣太空電梯進入位于平流層的電梯頂端發(fā)射平臺，然后再點火起飛進入太空。它相當于運載器的第一級平臺，而且航天器還可以返回塔頂平臺加油再重新起飛。這一技術有望為傳統(tǒng)火箭節(jié)約30%以上的燃料。

長期以來，工程師們一直認為太空電梯研制難度太大，因為沒有任何物質(zhì)能夠支撐自己達到太空的高度。然而這種最新解決方案繞開了這個問題。根據(jù)設計方案，只需將太空電梯建造到高達20千米的平流層。太空電梯建造到平流層總比直達地球靜止軌道高度要容易、可行得多。

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工程困難重重

目前，研制太空電梯最大的挑戰(zhàn)是能否以低成本、大規(guī)模生產(chǎn)出碳納米管纖維材料，因為這種材料現(xiàn)在還只是毫米級制品，距實用差距甚遠。從理論上說，如果用碳納米管纖維材料造出直徑1毫米的碳納米繩，該納米繩就可以承載60噸的重量。迄今為止，科學家仍然無法用碳納米管編織出長長的纜繩。此外，每克碳納米管就價值500美元，要制造出一條10萬千米長的碳納米纜繩就十分昂貴了。

另外，向太空發(fā)射各種電梯建設材料花費巨大，且如果太空電梯因嚴重事故崩塌，空中和地面的損失也將十分驚人。

還有，當太陽風向太空電梯施加壓力時，來自月球和太陽的重力作用將使繩索變得搖擺不定。這將有可能使太空電梯搖擺造成太空交通障礙，太空電梯也可能會碰撞上人造衛(wèi)星或者太空垃圾殘骸，這樣的碰撞將導致繩索斷裂或太空電梯失事。為此，太空電梯必須在內(nèi)部建造推進器，以穩(wěn)定太空電梯致命的搖擺振動，但這又將增加了建造的難度和電梯建造和維護成本。也有關專家認為，地球磁場可以自然地削弱太空電梯的搖擺振動，用活動錨也可控制繩索搖擺。

太空電梯的基站可以建在海上。

再者，在地球外層、距離地面1000～20000千米的區(qū)域，分布著一條強度很高的輻射帶，而在穿越該區(qū)域的過程中，航天員們可能會受到致命的輻射。如果缺乏有效的防護措施，乘坐太空電梯的乘客將會受到高強度射線的照射。此前，對于從事高軌道航天飛行的航天員們來說，分布在地球外部的輻射層已構成嚴重的威脅。當年參加“阿波羅”計劃的航天員們曾穿越這一地區(qū)。由于當時飛船的速度很快，因此他們受到射線照射的時間很短，計量也不足以致命。然而，太空電梯的爬升速度卻要慢很多——不會超過200千米/小時。這就意味著，搭乘太空電梯的航天員必須在輻射區(qū)中呆上至少3天的時間。對此，雖然科學家們已提出了多種解決方案，但任何一種都存在著這樣或那樣的缺陷。

有一種解決方案是在太空電梯外部建造一個防護層。但這會是太空電梯變得異常笨重和復雜，難以克服地球引力的影響。

太空電梯會受到太空垃圾的襲擊

另一種解決方案是將起始平臺設在遠離赤道的地區(qū)，這樣輻射帶的強度就不會太過強烈。但專家們認為，即使這樣，仍無法確保航天員不會受到致命劑量輻射的傷害。況且，如果太空電梯的起始點太靠近北緯45°地區(qū)，那么地球旋轉所產(chǎn)生的離心力將會使固定太空電梯的纜繩偏向南方，同時，它還會受到各種惡劣天氣條件的影響。

還有科學家提出可在太空電梯周圍構建一層人造磁場。通過這種方式將可有效抵御各種危險的射線。但此舉會嚴重削弱太空電梯的升力，導致向太空運送物資和人員的能量消耗大幅度增加。

科幻片中太空電梯基座

太空電梯還會面臨許多安全問題需要解決。例如，雷擊、流星、太空碎片、颶風、原子氧等，其中有的已經(jīng)有對策了。例如，有兩種辦法可使太空電梯免遭雷擊：其一是將太空電梯的基座選在地球上的無雷區(qū)，因為地球上有些地區(qū)常年無雷；其二是將太空電梯的基座建在6000米高的山頂上，因為在此高度一般很少發(fā)生閃電。對付太空碎片的辦法是：對太空垃圾進行密切的跟蹤和監(jiān)視；采用移動基站，使纜索避開太空垃圾的撞擊；在500～1700千米這一段增加纜索的厚度。對付颶風的辦法是將基座建在沒有颶風的區(qū)域，或者增加纜索的強度。

另外，由于建造太空電梯所用的碳納米繩技術過難，成本過高，所以地球太空電梯至今仍停留在美好的藍圖階段，但月球太空電梯有可能先問世。如果地球太空電梯取得突破性進展，人類就將走進大眾太空旅游的新時代。

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結語

目前，碳納米管和超強石墨烯被認為是建造太空電梯纜繩的理想材料；在設計方面，科學家目前已提出8個比較穩(wěn)健、合理的科學設計方案；在工程方面，一些國家的科學家已開展一些小型實驗并準備深入驗證。我國清華大學魏飛教授團隊曾成功制備出世界上最長的、單根長度達半米以上的碳納米管，創(chuàng)造了新的世界紀錄。相關內(nèi)容近日在線發(fā)表在國際著名期刊《美國化學會納米》上。

藝術家筆下通往天堂的太空電梯

國際太空電梯聯(lián)盟主席斯旺在2021年11月介紹：根據(jù)目前設計，太空電梯攀爬速度約為每小時200千米。未來，隨著纜繩加長、轎廂攀爬速度加快，預計8天可到達地球同步軌道，14天可到達月球，61天可到達火星。斯旺認為，未來人類建火星村、月球村需要發(fā)射大量物資到太空，星際旅行也備受期待，太空電梯非常具有商業(yè)競爭力。太空電梯用太陽能驅動，不像發(fā)射火箭那樣消耗大量化學燃料，而且太空電梯產(chǎn)生空間碎片的可能性很小，是一條綠色天路。

國際太空電梯聯(lián)盟副主席萊特稱，火箭發(fā)射不會因此被拋棄，因為火箭比太空電梯速度更快，能迅速穿越輻射帶，已經(jīng)有人提出以“太空電梯+火箭”的方式運輸，實現(xiàn)互補。

根據(jù)目前的科技水平和發(fā)展速度看，有人預計太空電梯將在2050—2100年投入業(yè)務運營。

參考資料：