碳纳米管：从《三体》到现实的太空电梯梦

碳纳米管：从《三体》到现实的太空电梯梦

引用

人民网

等

9

来源

1.

http://health.people.com.cn/n1/2024/1130/c14739-40372358.html

2.

https://new.qq.com/rain/a/20240926A02K9300

3.

https://www.sohu.com/a/784697034_570536

4.

https://www.sohu.com/a/803256627_163278

5.

https://www.xhby.net/content/s66453218e4b083be474cf356.html

6.

https://zh-cn.futuroprossimo.it/2024/05/un-cavo-verso-linfinito-in-giappone-progettano-ascensore-spaziale/

7.

https://www.globalgrowthinsights.com/zh/market-reports/single-wall-carbon-nanotube-market-105428

8.

https://www.hanano.co/sys-nd/142.html

9.

https://www.forwardpathway.com/166353

在刘慈欣的科幻巨作《三体》中，一个令人印象深刻的场景是“古筝行动”：利用比头发丝还细的“纳米飞刃”，将巨大的“审判日”号轮船切割成无数薄片。这种看似天方夜谭的材料，在现实世界中竟然真的存在，它就是碳纳米管。

碳纳米管是由单层或多层石墨烯无缝卷曲而成的中空管状结构，其直径通常在纳米级别，而长度可以达到微米甚至毫米级。这种独特的结构赋予了碳纳米管一系列令人惊叹的特性：

• 超高强度：碳纳米管的理论强度最高可达200GPa，这意味着200根比头发丝还细的碳纳米管就可以拉起一辆汽车。
• 轻质：碳纳米管的密度仅为钢的1/6，但弹性模量是钢的5倍，抗拉强度是钢的100倍。
• 导电性：碳纳米管的电学性质取决于其卷曲角度，可展现出金属性和半导体性，使其成为新型电子器件的重要基材。
• 热稳定性：常温下热导率远超其他金属材料，能在极端环境下稳定运行。

日本建筑巨头大林组正在将这个看似疯狂的构想变为现实。他们计划使用碳纳米管建造一条长达96,000公里的电缆，从地球表面一直延伸到轨道空间站。

这个雄心勃勃的项目将分几个阶段进行：

1. 首先将组装电缆、空间站和电梯机构所需的材料送入低轨道。
2. 然后，航天器将向地球降低CNT电缆，在96,000公里后达到必要的张力。
3. 最后，这些材料将与工程师一起通过特殊的升降装置沿电缆运输。

大林组预计，太空电梯的建设将在2025年进入运营阶段，25年后可投入使用。每个舱室将可搭载30名乘客，以200公里/小时的速度到达空间站需要约一周时间。

尽管碳纳米管具有诸多优异性能，但其制备和应用仍面临一些挑战：

• 如何精准控制碳纳米管的管径和长度
• 如何避免碳纳米管发生团聚现象
• 如何实现稳定均一、连续、规模化、低成本制备

不过，这些问题正在逐步得到解决。韩国电气技术研究院最近研发了一种新技术，能够生产高分散性的碳纳米管粉末，这将大大简化碳纳米管在二次电池等领域的应用。

从市场前景来看，碳纳米管的应用领域正在不断拓展：

• 智能穿戴加热：碳纳米管薄膜已应用于智能保暖背心、防寒服等产品，电热转换效率高达99.5%。
• 风电叶片除冰：碳纳米管薄膜有望解决全球风电行业面临的冻雨难题。
• 固态储氢：碳纳米管薄膜加热技术可大幅提升固态储氢的经济性。
• 二次电池：作为导电添加剂，碳纳米管能显著提高电池能量密度。

据预测，到2033年，全球单壁碳纳米管市场将达到7869万美元，复合年增长率为2.02%。

如果太空电梯项目最终成功，它将彻底改变人类进入太空的方式：

• 降低成本：目前的太空旅行非常昂贵，而太空电梯的运营成本预计只需几千美元。
• 减少排放：太空电梯不需要燃料，对环境影响更小。
• 促进太空旅游：普通人也有机会体验太空旅行，开启真正的“太空旅游时代”。
• 推动科学研究：更便捷的太空运输将极大促进空间科学研究和开发。

虽然距离实现这一梦想还有很长的路要走，但正如大林组所展示的，人类从未停止追求更远大的目标。碳纳米管，这种从科幻走向现实的神奇材料，或许真的能让我们像乘坐电梯一样进入太空，开启全新的航天时代。