【科幻開腦洞 科學找答案】

◎?qū)嵙曈浾?朱 璽

目前人類空間運輸主要依靠火箭。雖然相關技術已足夠成熟，但其回收和燃料成本仍然太高。如果使用太空電梯，運輸費用會降至每公斤幾百美元。另外，如果太空電梯計劃能夠?qū)崿F(xiàn)，人類太空旅行的成本也將降低，其中蘊含的巨大市場潛力將得到釋放。

(資料圖)

近日，西北工業(yè)大學材料學院教授趙廷凱團隊對半導體性單壁碳納米管的可控制備進行深入研究，提出一種新的多循環(huán)生長工藝，為大規(guī)模合成高純度半導體性單壁碳納米管提供了新方法。4月15日，相關論文發(fā)表于《化學工程雜志》。

碳納米管聽來陌生，然而實際上，你可能早與它打過照面——電影《流浪地球2》里的太空電梯、《三體》中提到的納米飛刃都與它有關。

想建成科幻迷們心向往之、津津樂道的太空電梯，少不了碳納米管。

太空電梯是個多少有些古老的夢。近半個世紀前，科幻巨匠阿瑟·克拉克在小說《天堂的噴泉》中描繪了太空電梯。傳說中，在很久以前，人類說著同一種語言。為了宣示自己在地球上的主宰地位，他們打算合力建造通天的巴別塔，最終未能實現(xiàn)。從巴別塔到太空電梯，反映出人類自古就有的、對天外世界的好奇與求索。

多年來，由于技術原因，太空電梯建設進展緩慢。事實上，和其他天馬行空的想象相比，太空電梯似乎是一個“跳一跳就夠得著”的美夢。隨著材料學等學科的進展，科幻作者頭腦里的太空電梯也許要成真了。

對建高塔的想象愈加豐滿

1895年，俄國科學家齊奧爾科夫斯基訪問巴黎期間，看到當時的世界最高塔——埃菲爾鐵塔后深受觸動，生發(fā)出修建太空電梯的設想。他當時的設想是在地球外相對靜止的軌道上修建城堡，并通過纜繩與地面連接。

隨后，幾代科幻作家與科學家對太空電梯的設計進行完善，并形成初步達成共識的方案：太空電梯分為廂體、纜繩軌道、地面地基和配重四個部分，連接地球表面和太空軌道上的衛(wèi)星。科學家將地基選在地球赤道附近，是為了避免地球自轉的影響，如果在其他緯度，將無法一直保持相對靜止。為了使衛(wèi)星與地球也保持相對靜止，需要將衛(wèi)星放置在距地面3.6萬公里的太空軌道上。中間連接衛(wèi)星與地基的纜繩既要足夠長，密度又要足夠小，同時要保證足夠的韌性。這無疑是修建太空電梯的難點所在。

那配重又是什么呢？按照設想，太空電梯會受到地球引力和遠離地面產(chǎn)生的離心力的影響。“太空電梯的主體是停留在同步軌道上的，類似于太空站。但纜繩不是理想化的，會受到地球引力影響。配重的作用是抵消纜繩本身的重力。”資深科幻迷、長期從事能源材料研究的華北電力大學青年教師李赫解釋說：“達到這種狀態(tài)的方式有兩種：一是讓纜繩足夠長，大概需要10萬公里；另一種方式是加配重，即在電梯上端加裝重物。這種方法能夠大大縮短纜繩長度。”

既然修建太空電梯難度如此之大，那是否還有必要修它呢？李赫給出了肯定答案：“修建太空電梯還是有必要的，主要是為了減少運輸成本。”

李赫介紹，目前人類空間運輸主要依靠火箭。雖然相關技術已足夠成熟，但其回收和燃料成本仍然太高。“火箭的運輸成本是按公斤計算的，每公斤大約6000—10000美元。這對于運輸大宗物資來說是一筆巨資。如果使用太空電梯，運輸費用會降至每公斤幾百美元。”另外，如果太空電梯計劃能夠?qū)崿F(xiàn)，人類太空旅行的成本也將降低，其中蘊含的巨大市場潛力將得到釋放。

太空電梯建造與維護困難

修建太空電梯關鍵在于纜繩。因為纜繩并非保持靜止，而是跟著太空軌道上的衛(wèi)星高速運動，其產(chǎn)生的向心力可能會超過材料的抗拉極限。因此纜繩材料質(zhì)量分布必須均勻，且具備極強的抗拉伸能力。現(xiàn)實中如鋼材這種常見的建筑材料密度大，抗拉強度弱，無法滿足需要。“目前發(fā)現(xiàn)的唯一符合條件的材料是碳納米管，也就是《三體》中提到的納米飛刃的原型。”李赫指出，碳納米管很輕，密度為1.5—1.7克/立方厘米，是鋼材的1/5，同時具有超強的抗拉伸能力。

1991年，日本科學家首次發(fā)現(xiàn)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。單壁結構的石墨碳整齊地排列在一起，形成結構十分穩(wěn)定的二維材料，因而具有極高的強度。資料顯示，碳納米管的強度理論計算值是鋼材料的100倍，同時它質(zhì)地柔軟，具有很強的韌性，因此被認為是未來的超級纖維。

但這些都是在理論層面對碳納米管進行“建模”，現(xiàn)實中它的生產(chǎn)遠未達到預期。“碳納米管的理想結構單元是正六邊形的六元環(huán)，但在實際操作中，非理想化的條件可能會使其產(chǎn)生五元環(huán)或七元環(huán)的結構，從而使得材料性能大打折扣。”李赫還強調(diào)，“碳納米管的生產(chǎn)需要嚴苛的條件和環(huán)境，一般實驗室內(nèi)能夠制備出的長度只是微米級別。目前最先進的技術也只能生產(chǎn)約半米長的碳納米管成品，這離修建太空電梯的需求還有很遠的距離。”

李赫告訴記者，即使太空電梯建成后，其運營維護仍有很多問題待解決。一是作為纜繩的碳納米管長期暴露在大氣中，經(jīng)過氧氣的長時間侵蝕，其使用壽命會大大縮短。惡劣天氣也會加劇碳納米管老化。如果要在碳納米管表面做保護涂層，就必須要求涂層具有同樣的抗拉伸性，然而目前還沒有符合要求的選項。二是地球同步軌道上已十分擁擠。人類發(fā)射的衛(wèi)星、廢棄衛(wèi)星以及其他太空垃圾會對太空電梯的運行構成威脅。

另外就是電梯的動力問題。目前來看，太空電梯的最佳動力來源是電力，能否保障電梯運行全程供電，未來如何擺脫燃料、怎樣實現(xiàn)無線供電，甚至如何直接將光能作為電梯動力都是值得思考，也是需要解決的問題。

再建“巴別塔”需要人類共同努力

太空電梯并非只停留在構思階段，已有國家開始投資建設。

據(jù)媒體報道，2012年，日本著名建筑公司大林組啟動總投資超過100億的太空電梯建設方案。他們計劃在赤道附近海域修建地基，設計電梯時速200公里，從地面到太空軌道單程需要7天時間。預計工程將在2050年建成。

不過，隨著項目開展，研究和施工人員在論證和實際操作過程中發(fā)現(xiàn)越來越多的問題。他們自己也坦言，修建太空電梯只是“嘗試”。目前項目進展如何無從知曉，陷入了“高開低走”的尷尬境地。

李赫指出，除了技術難度外，修建太空電梯的又一大挑戰(zhàn)來自人類自身。再建“巴別塔”絕非一個或幾個國家能完成的事，而是需要全人類的通力合作。世界各國是否愿意且能夠擱置爭議，通過協(xié)商合作、共同建設，互惠共享這一全人類的共同財富才是關鍵。

來源：科技日報

作者：朱 璽

責任編輯：馮崢

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