碳纳米管研究获重大突破，太空电梯梦想或将照进现实
碳纳米管研究获重大突破，太空电梯梦想或将照进现实
近日，西北工业大学材料学院教授赵廷凯团队在碳纳米管研究领域取得重大突破。他们提出了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。这一研究成果已发表在权威期刊《化学工程杂志》上，为太空电梯这一科幻构想的实现带来了新的希望。
碳纳米管：太空电梯的关键材料
太空电梯是一种概念性的太空交通系统，旨在通过巨型缆索将地球表面与地球同步轨道上的太空站连接起来。这种系统可以为人类提供一种相对廉价且环保的方式进入太空。太空电梯的概念最早可以追溯到20世纪初，但直到现在仍然存在许多技术挑战需要克服。
在太空电梯的多个组成部分中，碳纳米管是关键的构成部分。碳纳米管是一种具有独特结构的纳米材料，由单层或多层碳原子构成，具有低密度、高强度、高导热率、高导电率等优点，是制造太空电梯所需缆索的理想材料。根据理论计算，碳纳米管的强度是钢材料的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。
大林组的太空电梯计划
日本著名建筑公司大林组在2012年完成高达634米的东京晴空塔建造工程后，雄心勃勃地提出建造太空电梯的计划，设定目标是2025年开工，2050年完成。大林组的设计方案是在位于赤道海面上建立“地球港”基地，通过碳纳米管材料制成的线缆，连接位于不同轨道高度的太空设施。整个结构将包括：
- 高度约300公里的近地轨道卫星投放门
- 3.6万公里高度的地球静止轨道站
- 9.6万公里的最顶端平衡锤
按照计划，从地面搭乘时速约200公里的“升降机”，经过1周左右即可到达静止轨道。大林组甚至提出了具体的建设方法：首先在高度300公里处组装建造太空电梯用的宇宙飞船，然后将宇宙飞船移动到地球静止轨道，从宇宙飞船向下释放碳纳米管线缆，与地面连接并固定，之后在线缆上安装升降机。升降机在地面和太空之间穿梭运输材料，建设空间站等设施。预计电缆加固总共需要510次，到完成为止共需要大约20年时间。
面临的技术挑战
尽管太空电梯的构想极具吸引力，但其建设仍面临诸多技术挑战。其中最大的挑战就是碳纳米管材料的大规模制备问题。根据大林组的计划，未来太空电梯的线缆需要制作长度达到9.6万公里、分子与分子之间相连的单根碳纳米管。然而，目前技术只能制造出不到1厘米的符合相关要求的碳纳米管。
此外，太空电梯还面临其他技术挑战：
- 太空碎片威胁：太空中的空间碎片越来越多，对于在轨航天器的威胁也持续增加。
- 宇宙辐射和极端天气：太空电梯的线缆需要承受空间碎片撞击、强宇宙辐射和剧烈温差的影响。
- 地理位置限制：为确保太空电梯的太空部分与地面部分保持同步，需要将其建立在赤道上，这给建设和维护带来额外挑战。
- 安全防范：海上基地容易遭遇风暴袭击，同时存在恐怖袭击的风险。
巨大的市场潜力
尽管面临诸多挑战，太空电梯的前景仍然十分诱人。目前人类进入太空的最大问题在于成本太高。例如美国国家航空航天局估计，四次“阿尔忒弥斯”登月任务中，每次发射将耗资41亿美元。即使是当前发射成本最低的美国太空探索技术公司的“猎鹰9”号可重复使用运载火箭，平均发射成本为每磅1227美元（约每公斤2700美元）。
相比之下，太空电梯可以将货物运送到太空的成本降至每磅57美元，其他机构对太空电梯的总体运输成本评估是每磅227美元，都远远低于常规运载火箭的成本。此外，太空电梯在此方面的限制就要小得多。同时升降机的运行速度比火箭慢，但可以减少振动，这一点对于将敏感设备送入轨道非常重要。
未来展望
尽管加拿大物理学家史蒂芬·科恩等人在本世纪初乐观估计，只要二三十年就可以让太空电梯成为现实，但如今大林组承认，该项目需要各方合作，目前仍在寻找合作伙伴。大林组预计整个项目的成本在1万亿日元（约合68亿美元）以上，需要国际社会的共同努力才能实现。
西北工业大学赵廷凯团队的最新研究成果为太空电梯的实现带来了新的希望。虽然距离实际应用还有很长的路要走，但这一突破无疑为人类探索太空提供了新的可能性。随着科技的不断进步和国际合作的加强，太空电梯这一科幻构想有望在不久的将来成为现实，开启人类进入太空的新纪元。