【科幻開腦洞 科學(xué)找答案】
科技日報(bào)實(shí)習(xí)記者 朱璽
(相關(guān)資料圖)
近日，西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院教授趙廷凱團(tuán)隊(duì)對半導(dǎo)體性單壁碳納米管的可控制備進(jìn)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(dǎo)體性單壁碳納米管提供了新方法。4月15日，相關(guān)論文發(fā)表于《化學(xué)工程雜志》。
碳納米管聽來陌生，然而實(shí)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(guān)。
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(jì)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(shí)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(shù)原因，太空電梯建設(shè)進(jìn)展緩慢。事實(shí)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(xué)等學(xué)科的進(jìn)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(xué)家齊奧爾科夫斯基訪問巴黎期間，看到當(dāng)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(shè)想。他當(dāng)時的設(shè)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(xué)家對太空電梯的設(shè)計(jì)進(jìn)行完善，并形成初步達(dá)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(xué)家將地基選在地球赤道附近，是為了避免地球自轉(zhuǎn)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(diǎn)所在。
那配重又是什么呢？按照設(shè)想，太空電梯會受到地球引力和遠(yuǎn)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(xué)青年教師李赫解釋說：“達(dá)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?！?/p>
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(yùn)輸成本?！?/p>
李赫介紹，目前人類空間運(yùn)輸主要依靠火箭。雖然相關(guān)技術(shù)已足夠成熟，但其回收和燃料成本仍然太高?！盎鸺倪\(yùn)輸成本是按公斤計(jì)算的，每公斤大約6000—10000美元。這對于運(yùn)輸大宗物資來說是一筆巨資。如果使用太空電梯，運(yùn)輸費(fèi)用會降至每公斤幾百美元?！绷硗?，如果太空電梯計(jì)劃能夠?qū)崿F(xiàn)，人類太空旅行的成本也將降低，其中蘊(yùn)含的巨大市場潛力將得到釋放。
太空電梯建造與維護(hù)困難
修建太空電梯關(guān)鍵在于纜繩。因?yàn)槔|繩并非保持靜止，而是跟著太空軌道上的衛(wèi)星高速運(yùn)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(qiáng)的抗拉伸能力?，F(xiàn)實(shí)中如鋼材這種常見的建筑材料密度大，抗拉強(qiáng)度弱，無法滿足需要?！澳壳鞍l(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(qiáng)的抗拉伸能力。
1991年，日本科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)碳納米管，這是一種由單層或多層結(jié)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(jié)構(gòu)的石墨碳整齊地排列在一起，形成結(jié)構(gòu)十分穩(wěn)定的二維材料，因而具有極高的強(qiáng)度。資料顯示，碳納米管的強(qiáng)度理論計(jì)算值是鋼材料的100倍，同時它質(zhì)地柔軟，具有很強(qiáng)的韌性，因此被認(rèn)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(jìn)行“建模”，現(xiàn)實(shí)中它的生產(chǎn)遠(yuǎn)未達(dá)到預(yù)期?！疤技{米管的理想結(jié)構(gòu)單元是正六邊形的六元環(huán)，但在實(shí)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(jié)構(gòu)，從而使得材料性能大打折扣。”李赫還強(qiáng)調(diào)，“碳納米管的生產(chǎn)需要嚴(yán)苛的條件和環(huán)境，一般實(shí)驗(yàn)室內(nèi)能夠制備出的長度只是微米級別。目前最先進(jìn)的技術(shù)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(yuǎn)的距離。”
李赫告訴記者，即使太空電梯建成后，其運(yùn)營維護(hù)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(hù)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(xiàng)。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(yùn)行構(gòu)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(yùn)行全程供電，未來如何擺脫燃料、怎樣實(shí)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(gòu)思階段，已有國家開始投資建設(shè)。
據(jù)媒體報(bào)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(shè)方案。他們計(jì)劃在赤道附近海域修建地基，設(shè)計(jì)電梯時速200公里，從地面到太空軌道單程需要7天時間。預(yù)計(jì)工程將在2050年建成。
不過，隨著項(xiàng)目開展，研究和施工人員在論證和實(shí)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(xiàng)目進(jìn)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(shù)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(shè)，互惠共享這一全人類的共同財(cái)富才是關(guān)鍵。
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