太空電梯離我們還有多遠(yuǎn)

來源：人民日?qǐng)?bào)

作者：魏飛

科幻作品中，出現(xiàn)過太空電梯的身影——不需要火箭，只要坐上電梯，人們就可以直達(dá)太空。

太空電梯的原理是這樣的：將一根極長(zhǎng)的纜繩，一端固定在赤道地面，另一端連接位于地球同步軌道的空間站，再在更遠(yuǎn)處設(shè)置配重。地球自轉(zhuǎn)時(shí)，纜繩受向上的離心力與向下的重力共同作用而繃緊，電梯廂便可沿纜繩往返天地間。

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早在1895年，就有科學(xué)家提出建造直達(dá)太空的“天梯”。這一設(shè)想提出已逾百年，似乎仍停留在想象階段，原因何在？問題的關(guān)鍵，在于找到足夠強(qiáng)韌的纜繩材料。

太空電梯纜繩必須同時(shí)承受巨大的重力和離心力作用，對(duì)材料的抗拉強(qiáng)度要求極高。有沒有既輕又強(qiáng)的“超級(jí)材料”呢？1991年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了碳納米管，這給太空電梯研究帶來了曙光。

碳納米管是由碳原子按六邊形蜂窩狀結(jié)構(gòu)排列而成的中空管狀材料，直徑只有幾納米到幾十納米。別看身形纖細(xì)，它是人類發(fā)現(xiàn)的力學(xué)性能最優(yōu)的材料之一：理論上，單壁碳納米管的抗拉強(qiáng)度可超過100吉帕，是最好鋼材的數(shù)百倍；其楊氏模量（衡量材料剛性的指標(biāo)）高達(dá)1太帕，極難被拉伸變形。更難得的是，其密度僅為鋼的1/4左右，單位質(zhì)量的強(qiáng)度很高。

為了讓碳納米管早日從實(shí)驗(yàn)室走向太空，中國(guó)科學(xué)家一直在探索。清華大學(xué)化學(xué)工程系反應(yīng)工程團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期從事碳納米管材料的可控制備與應(yīng)用研究，努力攻堅(jiān)材料難題。

首先是突破長(zhǎng)度極限。實(shí)際制備中，碳納米管長(zhǎng)度通常只有幾十微米，且內(nèi)部存在大量結(jié)構(gòu)缺陷，實(shí)際強(qiáng)度遠(yuǎn)低于理論值。2013年，研究團(tuán)隊(duì)通過提高催化劑活性概率，成功制備出單根長(zhǎng)度超過半米的碳納米管，為超長(zhǎng)碳納米管的規(guī)模化制備奠定了基礎(chǔ)。

研究團(tuán)隊(duì)還探索組裝“超強(qiáng)”纖維。單根碳納米管再?gòu)?qiáng)，也無法直接用作纜繩，需要把千千萬萬根碳納米管“擰”成一股宏觀纖維。2018年，清華大學(xué)化工系與航院團(tuán)隊(duì)在《自然·納米技術(shù)》發(fā)表論文稱，采用氣流聚焦法，制備出厘米級(jí)超長(zhǎng)碳納米管管束，拉伸強(qiáng)度達(dá)到80吉帕以上。

太空電梯纜繩需承受反復(fù)拉伸，需要“百折不斷”。2020年，研究團(tuán)隊(duì)在《科學(xué)》雜志發(fā)表論文，首次通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試了單根碳納米管的抗疲勞性能，發(fā)現(xiàn)碳納米管可被連續(xù)拉伸上億次而不發(fā)生斷裂，去掉載荷后仍能保持初始的超高強(qiáng)度。

盡管碳納米管研究取得了長(zhǎng)足進(jìn)展，但距離真正建造太空電梯仍有相當(dāng)距離。

規(guī)模化制備是挑戰(zhàn)，實(shí)驗(yàn)室目前能制備的超長(zhǎng)碳納米管長(zhǎng)度在半米至米級(jí)，而太空電梯纜繩需要達(dá)到數(shù)萬公里；太空環(huán)境是考驗(yàn)，纜繩需要穿越地球大氣層，要經(jīng)受風(fēng)雨雷電，還要在太空中抵御高能宇宙射線和原子氧腐蝕。

除了纜繩，太空電梯還涉及基座建設(shè)、電梯廂動(dòng)力系統(tǒng)等復(fù)雜工程問題。這些都需要跨學(xué)科協(xié)作解決。

太空電梯還只是停留在科幻電影里，但碳納米管的發(fā)現(xiàn)和研究進(jìn)展，讓這個(gè)設(shè)想具備了堅(jiān)實(shí)的材料基礎(chǔ)。從實(shí)驗(yàn)室到應(yīng)用的道路漫長(zhǎng)而艱辛，但科學(xué)探索的魅力正在于此——每一次突破都是對(duì)未知的叩問，每一步前進(jìn)都在拓展人類能力的邊界。也許在不遠(yuǎn)的將來，太空電梯將成為人類邁向星辰大海的真正天梯。