人类想搭乘太空电梯？ 先用超长碳纳米管“搓”缆绳

本文转自：华西都市报

碳纳米管管束示意图

人类对太空电梯的构想，最早可追溯到两个世纪前。1895年，俄国科学家、航天之父齐奥尔科夫斯基参观埃菲尔铁塔时迸发出对太空电梯的原始构想：能不能在赤道上建造一座直通太空的塔，这样一来人们乘坐升降梯就可以到达太空。2018年9月25日，日本在国际空间站上完成了人类首次在太空中移动缆绳上的容器，为实现太空电梯构想迈出了重要一步。

想搭“天梯”得先造出缆绳

科幻电影《流浪地球2》中出现的太空电梯再次唤起了公众对“天梯”的关注。将来现实世界中真的能打造这样一座通天电梯吗？相关技术进展到了哪一步？对此，华西都市报、封面新闻记者对话了全国空间探测技术首席科学传播专家、卫星应用产业协会首席专家庞之浩，清华大学化工系副教授张如范。

“太空电梯的原理并不复杂，说到底就是将一条长长的缆绳一端固定在地球上，另一端固定在地球静止轨道的平衡物(如大型空间站)上。在引力和离心加速度的相互作用下，缆绳绷紧，太空电梯便可利用太阳能或激光能转变成的电能沿缆绳上下运动。”庞之浩在接受记者采访时指出，缆绳是太空电梯的关键技术和设备，“由于太空电梯的缆绳要承受地心引力和离心力的双重拉扯，所以目前建造太空电梯最大障碍是缆索的建造，它需要用又强又轻的材料制成，并能够经受住大气层内外向它袭来的任何物体的撞击。”

根据美国国家航空航天局提出的标准，制备“天梯”所需要的材料单位质量上的强度（即比强度）至少要达到7.5吉帕（克/立方厘米）。碳纤维是一种已广为人知的高强度材料。目前最好的碳纤维，如碳纤维T1100，单位质量上的抗拉强度约为3.5Gpa（g/cm3），远低于美国国家航空航天局所提出的指标。

幸运的是，1991年碳纳米管的发现，给人类百年的天梯梦想带来了一线曙光。

碳纳米管：“天梯”缆绳的曙光

据张如范介绍，碳纳米管理论上的抗拉强度超过100吉帕，其单位质量上的比强度则超过了62.5吉帕（克/立方厘米）。2018年，清华大学魏飞教授和张如范副教授团队利用超长碳纳米管制成的管束的抗拉强度达到80吉帕，单位质量上的比强度则达到50吉帕（克/立方厘米），远超过美国国家航空航天局所提出的标准。

“碳纳米管是目前人类已经发现的材料中，唯一有希望建造‘天梯’的材料，这种新型纳米材料是人类已知的力学强度最高的材料。”张如范说。如果拿钢铁作为参照物，碳纳米管在单位质量上的抗拉强度（即比强度）大约是钢铁的400多倍，而碳纤维的比强度仅为钢铁的28倍；从理论上讲，一根直径仅为2厘米的碳纳米管纤维至少能承受3200吨的重量。

而碳纳米管“百折不断”的耐疲劳特性也让它能在动荡多变的太空环境下长时间承担电梯缆绳的职责，“一根铁丝在手里反复弯折几十次就会断裂，但通过实验研究发现，在大应变循环拉伸测试条件下，单根碳纳米管可以被连续拉伸上亿次而不发生断裂，并且在去掉载荷后，其依然能保持初始的超高抗拉强度，耐疲劳性优于目前所有工程纤维材料。”

什么时候可以开始“造绳工程”呢？张如范说，目前最关键的难题是实现超长碳纳米管的大批量制备。所谓超长碳纳米管，是指具有厘米级甚至分米级以上的宏观长度和低缺陷密度的一种碳纳米管类型，只有超长碳纳米管，才能充分发挥碳纳米管自身的性能优势，并将性能体现在宏观的碳纳米管纤维等样品中。

当超长碳纳米管能够大批量制备后，制造长达9.6万公里的天梯缆绳就变成可能，“把碳纳米管‘搓’成一条绳子，碳纳米管相互间的摩擦力就足以比它自身的抗拉力强度还要高。”

在超长碳纳米管的制备方面，张如范团队在今年取得了进一步突破，实现了超长碳纳米管产率的大幅度提升，从而在批量制备方面又往前迈进了一大步。

目前，张如范团队仍在努力攻关超长碳纳米管的批量制备，希望通过进一步的研究，创造能够让更多超长碳纳米管生长的条件。或许在不远的将来，人们就能坐上以碳纳米管制成缆绳的“天梯”前往太空了。

华西都市报-封面新闻记者 谭羽清 边雪 图片由受访者提供