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太空电梯是“跳一跳就够得着”的美梦吗

添加时间:2023-04-20 作者:朱玺 来源:科技日报 点击:1164 收藏 打印 字体:
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视觉中国供图

目前人类空间运输主要依靠火箭。虽然相关技术已足够成熟,但其回收和燃料成本仍然太高。如果使用太空电梯,运输费用会降至每公斤几百美元。另外,如果太空电梯计划能够实现,人类太空旅行的成本也将降低,其中蕴含的巨大市场潜力将得到释放。

近日,西北工业大学材料学院教授赵廷凯团队对半导体性单壁碳纳米管的可控制备进行深入研究,提出一种新的多循环生长工艺,为大规模合成高纯度半导体性单壁碳纳米管提供了新方法。4月15日,相关论文发表于《化学工程杂志》。

碳纳米管听来陌生,然而实际上,你可能早与它打过照面——电影《流浪地球2》里的太空电梯、《三体》中提到的纳米飞刃都与它有关。

想建成科幻迷们心向往之、津津乐道的太空电梯,少不了碳纳米管。

太空电梯是个多少有些古老的梦。近半个世纪前,科幻巨匠阿瑟·克拉克在小说《天堂的喷泉》中描绘了太空电梯。传说中,在很久以前,人类说着同一种语言。为了宣示自己在地球上的主宰地位,他们打算合力建造通天的巴别塔,最终未能实现。从巴别塔到太空电梯,反映出人类自古就有的、对天外世界的好奇与求索。

多年来,由于技术原因,太空电梯建设进展缓慢。事实上,和其他天马行空的想象相比,太空电梯似乎是一个“跳一跳就够得着”的美梦。随着材料学等学科的进展,科幻作者头脑里的太空电梯也许要成真了。

对建高塔的想象愈加丰满

1895年,俄国科学家齐奥尔科夫斯基访问巴黎期间,看到当时的世界最高塔——埃菲尔铁塔后深受触动,生发出修建太空电梯的设想。他当时的设想是在地球外相对静止的轨道上修建城堡,并通过缆绳与地面连接。

随后,几代科幻作家与科学家对太空电梯的设计进行完善,并形成初步达成共识的方案:太空电梯分为厢体、缆绳轨道、地面地基和配重四个部分,连接地球表面和太空轨道上的卫星。科学家将地基选在地球赤道附近,是为了避免地球自转的影响,如果在其他纬度,将无法一直保持相对静止。为了使卫星与地球也保持相对静止,需要将卫星放置在距地面3.6万公里的太空轨道上。中间连接卫星与地基的缆绳既要足够长,密度又要足够小,同时要保证足够的韧性。这无疑是修建太空电梯的难点所在。

那配重又是什么呢?按照设想,太空电梯会受到地球引力和远离地面产生的离心力的影响。“太空电梯的主体是停留在同步轨道上的,类似于太空站。但缆绳不是理想化的,会受到地球引力影响。配重的作用是抵消缆绳本身的重力。”资深科幻迷、长期从事能源材料研究的华北电力大学青年教师李赫解释说:“达到这种状态的方式有两种:一是让缆绳足够长,大概需要10万公里;另一种方式是加配重,即在电梯上端加装重物。这种方法能够大大缩短缆绳长度。”

既然修建太空电梯难度如此之大,那是否还有必要修它呢?李赫给出了肯定答案:“修建太空电梯还是有必要的,主要是为了减少运输成本。”

李赫介绍,目前人类空间运输主要依靠火箭。虽然相关技术已足够成熟,但其回收和燃料成本仍然太高。“火箭的运输成本是按公斤计算的,每公斤大约6000—10000美元。这对于运输大宗物资来说是一笔巨资。如果使用太空电梯,运输费用会降至每公斤几百美元。”另外,如果太空电梯计划能够实现,人类太空旅行的成本也将降低,其中蕴含的巨大市场潜力将得到释放。

太空电梯建造与维护困难

修建太空电梯关键在于缆绳。因为缆绳并非保持静止,而是跟着太空轨道上的卫星高速运动,其产生的向心力可能会超过材料的抗拉极限。因此缆绳材料质量分布必须均匀,且具备极强的抗拉伸能力。现实中如钢材这种常见的建筑材料密度大,抗拉强度弱,无法满足需要。“目前发现的唯一符合条件的材料是碳纳米管,也就是《三体》中提到的纳米飞刃的原型。”李赫指出,碳纳米管很轻,密度为1.5—1.7克/立方厘米,是钢材的1/5,同时具有超强的抗拉伸能力。

1991年,日本科学家首次发现碳纳米管,这是一种由单层或多层结晶度较好、呈正六方形的石墨碳,围绕某一轴心弯曲而成的无缝纳米级管。单壁结构的石墨碳整齐地排列在一起,形成结构十分稳定的二维材料,因而具有极高的强度。资料显示,碳纳米管的强度理论计算值是钢材料的100倍,同时它质地柔软,具有很强的韧性,因此被认为是未来的超级纤维。

但这些都是在理论层面对碳纳米管进行“建模”,现实中它的生产远未达到预期。“碳纳米管的理想结构单元是正六边形的六元环,但在实际操作中,非理想化的条件可能会使其产生五元环或七元环的结构,从而使得材料性能大打折扣。”李赫还强调,“碳纳米管的生产需要严苛的条件和环境,一般实验室内能够制备出的长度只是微米级别。目前最先进的技术也只能生产约半米长的碳纳米管成品,这离修建太空电梯的需求还有很远的距离。”

李赫告诉记者,即使太空电梯建成后,其运营维护仍有很多问题待解决。一是作为缆绳的碳纳米管长期暴露在大气中,经过氧气的长时间侵蚀,其使用寿命会大大缩短。恶劣天气也会加剧碳纳米管老化。如果要在碳纳米管表面做保护涂层,就必须要求涂层具有同样的抗拉伸性,然而目前还没有符合要求的选项。二是地球同步轨道上已十分拥挤。人类发射的卫星、废弃卫星以及其他太空垃圾会对太空电梯的运行构成威胁。

另外就是电梯的动力问题。目前来看,太空电梯的最佳动力来源是电力,能否保障电梯运行全程供电,未来如何摆脱燃料、怎样实现无线供电,甚至如何直接将光能作为电梯动力都是值得思考,也是需要解决的问题。

再建“巴别塔”需要人类共同努力

太空电梯并非只停留在构思阶段,已有国家开始投资建设。

据媒体报道,2012年,日本著名建筑公司大林组启动总投资超过100亿的太空电梯建设方案。他们计划在赤道附近海域修建地基,设计电梯时速200公里,从地面到太空轨道单程需要7天时间。预计工程将在2050年建成。

不过,随着项目开展,研究和施工人员在论证和实际操作过程中发现越来越多的问题。他们自己也坦言,修建太空电梯只是“尝试”。目前项目进展如何无从知晓,陷入了“高开低走”的尴尬境地。

李赫指出,除了技术难度外,修建太空电梯的又一大挑战来自人类自身。再建“巴别塔”绝非一个或几个国家能完成的事,而是需要全人类的通力合作。世界各国是否愿意且能够搁置争议,通过协商合作、共同建设,互惠共享这一全人类的共同财富才是关键。

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