太空電梯是“跳一跳就夠得著”的美夢(mèng)嗎
【科幻開腦洞 科學(xué)找答案】
◎?qū)嵙?xí)記者 朱 璽
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。如果使用太空電梯,運(yùn)輸費(fèi)用會(huì)降至每公斤幾百美元。另外,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(chǎng)潛力將得到釋放。
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(duì)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(gè)多少有些古老的夢(mèng)。近半個(gè)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(duì)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(gè)“跳一跳就夠得著”的美夢(mèng)。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(duì)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(shí)的世界最高塔——埃菲爾鐵塔后深受觸動(dòng),生發(fā)出修建太空電梯的設(shè)想。他當(dāng)時(shí)的設(shè)想是在地球外相對(duì)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(duì)太空電梯的設(shè)計(jì)進(jìn)行完善,并形成初步達(dá)成共識(shí)的方案:太空電梯分為廂體、纜繩軌道、地面地基和配重四個(gè)部分,連接地球表面和太空軌道上的衛(wèi)星??茖W(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(duì)靜止。為了使衛(wèi)星與地球也保持相對(duì)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(shí)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(huì)受到地球引力和遠(yuǎn)離地面產(chǎn)生的離心力的影響?!疤针娞莸闹黧w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(huì)受到地球引力影響。配重的作用是抵消纜繩本身的重力?!辟Y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(duì)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(huì)降至每公斤幾百美元?!绷硗猓绻针娞萦?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(chǎng)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(dòng),其產(chǎn)生的向心力可能會(huì)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?!崩詈罩赋?,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(shí)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(jí)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(shí)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(jí)纖維。
但這些都是在理論層面對(duì)碳納米管進(jìn)行“建?!?,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(huì)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?!崩詈者€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(jí)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?!?/p>
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(shí)間侵蝕,其使用壽命會(huì)大大縮短。惡劣天氣也會(huì)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(huì)對(duì)太空電梯的運(yùn)行構(gòu)成威脅。
另外就是電梯的動(dòng)力問題。目前來看,太空電梯的最佳動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(shí)速200公里,從地面到太空軌道單程需要7天時(shí)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(gè)或幾個(gè)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(zhēng)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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