出處 應用基本物理定律產生的動力，乘著纜索即可在太空飛行，火箭推進將不再是唯一的選擇。

撰文╱羅倫茲尼（Enrico Lorenzini）、桑馬丁（Juan Sanmart）

翻譯／傅宗玫



纜索系統在探索木星及其衛星時的運作方式（想像圖）。當整個裝置和繫附其上的研究儀器滑行通過木衛二與木衛四間的太空時，纜索系統便藉由與木星（背景）的強大磁場交互作用而產生能量。
太空中可沒有加油站。每次太空任務，太空船都必須攜帶完成工作所需的全部能量來源，通常是化學推進劑、光電電池或核反應器。
除此之外，唯一能選擇的遞送服務可是貴得嚇人。例如，要維持國際太空站（International Space Station）在預估的10年生命期內不會逐漸偏離軌道，估計需要77公噸的助力器推進劑。而要將燃料送到太空站所在的360公里高度，即使以最低價格：每磅7000美元（以目前標準而言，是賤如塵土的價格），也需要12億美元來維持軌道的穩定。這些問題在探索木星等外行星時更加複雜，因為它們距離太陽太遠，使光電電池的生電效率降低，且每公克燃料都必須被載送到幾億公里之遠。
因此科學家正重新審視一項經過實驗測試的技術──太空纜索（Space Tether）。它利用基礎物理定律，提供指向、人造重力、電能、推進和拖曳力，因而降低或消除對化學性能量來源的需求。纜索是由一條可以彎曲的纜線連結兩個物體所組成的系統。如果纜索是導電的，那麼整個系統就成為電動纜索，或稱EDT（electrodynamic tether）。不同於傳統設計中利用化學或電能推進器，使太空船和推進劑之間交換動量，EDT則是透過磁場的調節，與旋轉中的行星交換動量。

利用可彎曲纜線連接兩個物體成為太空纜索。上圖為美國海軍研究實驗室的一項「進階纜索試驗」合成影像，圖示為其半伸張的狀態。
長久以來，纜索令太空狂熱者深深著迷。如齊奧爾科夫斯基（Konstantin Tsiolkovsky）和克拉克（Arthur C. Clarke）等的夢想家，便曾想像利用纜索做為太空電梯，將人從地面快速送上軌道。1960年代中期，兩項雙子星飛行任務即測試利用30公尺長的纜索為太空人產生人造重力。自那之後，又進行了許多類型的纜索實驗。主要的挑戰在於機電方面：工程師尚未研發出可靠的技術，以處理EDT在太空中所遭受到的高電壓。他們也還未能解決讓纜索在惡劣的太空環境中得以續存的所有相關問題，或找出方法抑制EDT可能產生的各種震動。
儘管如此，許多科學家相信這項技術將革新某些類型的太空飛行，應用的層面遍括地球低軌道到行星任務。EDT可能被用來清理環繞地球軌道的殘骸、以高於燃料電池的效率發電並使人造衛星保持在適當的軌道上。
能自我修正的系統
纜索利用了軌道動力學裡有時違悖直覺的特性。在環繞行星運行的穩定軌道上，任何物體都受到兩股相抗衡力量的作用：軌道運行造成向外拉的離心力恰好與向下的重力平衡。在物體的質心重力和離心力正好抵消。因此太空艙內的觀測者處於無重力狀態，不會感受到任何加速度。
如果把一個完整的人造衛星，換成兩個分別在略微不同軌道上的衛星，並以纜索相連，會發生什麼事？纜索會使得兩枚衛星成為單一系統。重力和離心力在位於兩枚衛星之間的質心仍然會相抵消，但是在個別衛星卻不平衡。外側的衛星所受重力較弱而離心力較強；因此淨力將把它向外推。內側的衛星則正好相反而被往內拉。
所發生的現象是，較低軌道的衛星運行較快，於是會像滑水者般拖曳著它的同伴。因此外側的衛星從較低軌道的衛星獲取動量，使得前者的軌道擴大而後者軌道縮小。兩枚衛星彼此遠離，因而使纜索保持在緊繃的狀態。不導電的纜索通常是由質輕而強韌的材料製成，例如克維拉（一種碳纖維）或光譜纖維（一種高強度聚乙烯）。纜索的張力頗低，不旋轉的纜索系統張力通常在0.5~5公斤重左右。
此系統唯一的平衡位置是當纜索處於平行於徑向方向時，即局部垂線。每當系統從這個平衡狀態偏斜，就會產生一個力矩將它拉回去，並像鐘擺一樣擺動。這種穩定機制曾在1975年時應用於觀測地球的地球動力實驗海洋衛星（GEOS-3），其上裝有一支數公尺長的剛性吊杆，使衛星保持面朝地球。
研究人員把兩個物體之間的受力不平衡稱為「重力梯度」。乘客在外衛星上會感覺到輕微的重力將他們拉離地球，而在內衛星上則是朝向地球。在低地球軌道（LEO，距地面200~2000公里處），一個50公里長的纜索可以產生約0.01g的重力（地球表面重力的1%）。太空人無法藉此行走，因為在小於0.1g的重力之下，人無法得到足夠的牽引。但就許多目的而言（使用工具、淋浴、使液體穩定），能分辨「上」和「下」顯然比完全無重力的環境好得多。而且，不同於其他產生人造重力的技術，這個方法不需要衛星彼此旋繞。
EDT系統的纜索中芯如包含鋁、銅或其他導體，還能提供其他好處。其中之一是做為發電機：當導體在磁場中移動，導體中的帶電粒子受到垂直於運動方向及磁場方向的電動力。因此在地球向北的磁場中如果纜索由西向東移動，就會感應內部電子順著纜索向下流動。
纜索會和電離層（大氣層的一部份，原子被高能的太陽輻射剝去電子，形成大團的電子和離子，成為電漿）交換電子。纜索一端（帶正電的陽極，可吸引電子）收集自由電子，並從相反端（帶負電的陰極，可發射電子）射出。導電的電離層使電路完整，形成一股穩定的電流，可以做為太空船的能量來源。實際地說，一條具有合適陽極設計且位在LEO上的20公里長纜索，能產生高達40千瓦的功率，足以驅動太空船上人員所使用的研究設備。
這項功能早在1970年代就為人所知，當時美國哈佛史密森尼天文物理中心的格羅西（Mario Grossi）和義大利帕多瓦大學的科隆波（Giuseppe Colombo）率先進行EDT研究。有16項實驗性任務曾經在太空中進行，分別使用導電或不導電的纜索系統。
在這些早期的電動纜索系統中，纜索的導電部份以一層鐵弗龍套管與電離層完全絕緣，而陽極則用一個大型導電球體或類似的裝置來收集電子。但是，這種陽極收集效率相當低。例如1990年代美國航太總署（NASA）和義大利太空總署合作，發射兩個不同版本的20公里長纜索衛星系統（TSS）。TSS用一顆海灘球大小的金屬球體收集電子，並相當有說服力地示範了太空中的電動發電。但是儘管有這些正面的結果，研究人員發現了一項EDT在實際應用前必須克服的困難。淨負電在大型球狀陽極周圍逐漸累積，使得電子不易進入，就像大批人急著從房間唯一出口離開時壅塞的樣子。
桑馬丁（作者之一）和其同僚使用裸露纜索的概念來解決這問題。纜索幾乎完全不絕緣，長達數公里的纜索本身就能收集電子，而非只在頂端。纜索細而圓柱狀的幾何形狀還有其他好處：電子不需在單一陽極點聚集。否則整體的負電荷會抑制更多電子到達。纜索不需是圓形線；一條薄帶就能收集同樣的電流，而且輕得多。
幾乎免費的午餐
所有EDT都有個共通的優點：它們在軌道上能利用電磁學的基本原理來減低或增加速度。根據「右手定則」，磁場會對通有電流的電線施力。因此，在東向的LEO裡的EDT，若電子自纜索由上而下流動，受力就會與運動方向相反。EDT受到類似空氣拖曳的阻力，造成纜索系統的軌道降低。

數十年來研究人員發射了許多實驗性質的纜索系統，獲得不同程度的成功，即使是出現問題的實驗，仍然確證了纜索系統的功能，並且觸發許多設計改進。
這看起來似乎不是我們想要的功能。但是對於希望掃除環繞行星的大量太空垃圾（如報廢的人造衛星及耗損的火箭上節）的計畫者來說，非常具有吸引力。這個問題確實是NASA、大學和小型公司發展纜索背後的動機之一。目前LEO上充斥著幾千件這類物體，其中約有1500件的質量超過100公斤。最終空氣阻力會使它們高度降低、移出軌道，在重返地表的過程中，被濃密的低層大氣燃燒殆盡。一般來說，物體在軌道高度200公里時會在幾天之內焚毀，在400公里處需要幾個月，而在1000公里高處的物體約需2000年。
如果新發射的人造衛星裝有EDT，能在生命末了時伸出，或者如果一個自動裝置能捕捉殘骸並把它攜帶到繞軌纜索系統，上述阻力效果就可以用來加速重返地表的時程。相對地，在LEO上逆轉EDT內的電流（利用光電電池或其他能量來源），可以造成相反的效果。纜索系統會受到順著其運動方向的力，造成推進而非拖曳，因此軌道會提高。推進式EDT因此可以做為太空拖曳船，將位在LEO的酬載移到較高的軌道或抑制軌道逐漸降低。先前提到關於國際太空站昂貴的推進問題，如果國際太空站使用本身10％的能量來源操作電動纜索，則只需17公噸的推進劑（目前的設計需要77公噸）就能避免軌道衰降；若使用更多的能量，就能幾乎消除對推進劑的需求。此外，在軌道上適時地啟動推進式EDT能產生側向力，可用以改變軌道上任何太空船的傾斜角度。如果使用化學推進器，這項工作需要大量的燃料。

【意猶未盡嗎？欲閱讀完整全文，請參閱科學人2004年9月號〈太空飛行纜索〉】

其他參考資料 利 用 磁 場 推 動 人 造 衛 星 Using magnetic field to propel satellites

這是類似太空電梯的東西 但是這篇文章描述更詳細 而最令我感到好奇的是太空纜所本身可以用來發電

如此一來 就算真的建立了所謂的太空電梯 也許就可以利用基本物理學 在移動過程中 從太空纜索本身或

取能量 .....