【科幻開(kāi)腦洞 科學(xué)找答案】

　　◎實(shí)習記者 朱 璽

　　目前人類(lèi)空間運輸主要依靠火箭。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，運輸費用會(huì )降至每公斤幾百美元。另外，如果太空電梯計劃能夠實(shí)現，人類(lèi)太空旅行的成本也將降低，其中蘊含的巨大市場(chǎng)潛力將得到釋放。

　　近日，西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院教授趙廷凱團隊對半導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(cháng)工藝，為大規模合成高純度半導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(tīng)來(lái)陌生，然而實(shí)際上，你可能早與它打過(guò)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(lè )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)世紀前，科幻巨匠阿瑟·克拉克在小說(shuō)《天堂的噴泉》中描繪了太空電梯。傳說(shuō)中，在很久以前，人類(lèi)說(shuō)著(zhù)同一種語(yǔ)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。從巴別塔到太空電梯，反映出人類(lèi)自古就有的、對天外世界的好奇與求索。

　　多年來(lái)，由于技術(shù)原因，太空電梯建設進(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(zhù)”的美夢(mèng)。隨著(zhù)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(mǎn)

　　1895年，俄國科學(xué)家齊奧爾科夫斯基訪(fǎng)問(wèn)巴黎期間，看到當時(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想。他當時(shí)的設想是在地球外相對靜止的軌道上修建城堡，并通過(guò)纜繩與地面連接。

　　隨后，幾代科幻作家與科學(xué)家對太空電梯的設計進(jìn)行完善，并形成初步達成共識的方案：太空電梯分為廂體、纜繩軌道、地面地基和配重四個(gè)部分，連接地球表面和太空軌道上的衛星。科學(xué)家將地基選在地球赤道附近，是為了避免地球自轉的影響，如果在其他緯度，將無(wú)法一直保持相對靜止。為了使衛星與地球也保持相對靜止，需要將衛星放置在距地面3.6萬(wàn)公里的太空軌道上。中間連接衛星與地基的纜繩既要足夠長(cháng)，密度又要足夠小，同時(shí)要保證足夠的韌性。這無(wú)疑是修建太空電梯的難點(diǎn)所在。

　　那配重又是什么呢？按照設想，太空電梯會(huì )受到地球引力和遠離地面產(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(lèi)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。”資深科幻迷、長(cháng)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(shuō)：“達到這種狀態(tài)的方式有兩種：一是讓纜繩足夠長(cháng)，大概需要10萬(wàn)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(cháng)度。”

　　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，主要是為了減少運輸成本。”

　　李赫介紹，目前人類(lèi)空間運輸主要依靠火箭。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。“火箭的運輸成本是按公斤計算的，每公斤大約6000—10000美元。這對于運輸大宗物資來(lái)說(shuō)是一筆巨資。如果使用太空電梯，運輸費用會(huì )降至每公斤幾百美元。”另外，如果太空電梯計劃能夠實(shí)現，人類(lèi)太空旅行的成本也將降低，其中蘊含的巨大市場(chǎng)潛力將得到釋放。

　　太空電梯建造與維護困難

　　修建太空電梯關(guān)鍵在于纜繩。因為纜繩并非保持靜止，而是跟著(zhù)太空軌道上的衛星高速運動(dòng)，其產(chǎn)生的向心力可能會(huì )超過(guò)材料的抗拉極限。因此纜繩材料質(zhì)量分布必須均勻，且具備極強的抗拉伸能力。現實(shí)中如鋼材這種常見(jiàn)的建筑材料密度大，抗拉強度弱，無(wú)法滿(mǎn)足需要。“目前發(fā)現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(shí)具有超強的抗拉伸能力。

　　1991年，日本科學(xué)家首次發(fā)現碳納米管，這是一種由單層或多層結晶度較好、呈正六方形的石墨碳，圍繞某一軸心彎曲而成的無(wú)縫納米級管。單壁結構的石墨碳整齊地排列在一起，形成結構十分穩定的二維材料，因而具有極高的強度。資料顯示，碳納米管的強度理論計算值是鋼材料的100倍，同時(shí)它質(zhì)地柔軟，具有很強的韌性，因此被認為是未來(lái)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”，現實(shí)中它的生產(chǎn)遠未達到預期。“碳納米管的理想結構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)的結構，從而使得材料性能大打折扣。”李赫還強調，“碳納米管的生產(chǎn)需要嚴苛的條件和環(huán)境，一般實(shí)驗室內能夠制備出的長(cháng)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(cháng)的碳納米管成品，這離修建太空電梯的需求還有很遠的距離。”

　　李赫告訴記者，即使太空電梯建成后，其運營(yíng)維護仍有很多問(wèn)題待解決。一是作為纜繩的碳納米管長(cháng)期暴露在大氣中，經(jīng)過(guò)氧氣的長(cháng)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涂層，就必須要求涂層具有同樣的抗拉伸性，然而目前還沒(méi)有符合要求的選項。二是地球同步軌道上已十分擁擠。人類(lèi)發(fā)射的衛星、廢棄衛星以及其他太空垃圾會(huì )對太空電梯的運行構成威脅。

　　另外就是電梯的動(dòng)力問(wèn)題。目前來(lái)看，太空電梯的最佳動(dòng)力來(lái)源是電力，能否保障電梯運行全程供電，未來(lái)如何擺脫燃料、怎樣實(shí)現無(wú)線(xiàn)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(wèn)題。

　　再建“巴別塔”需要人類(lèi)共同努力

　　太空電梯并非只停留在構思階段，已有國家開(kāi)始投資建設。

　　據媒體報道，2012年，日本著(zhù)名建筑公司大林組啟動(dòng)總投資超過(guò)100億的太空電梯建設方案。他們計劃在赤道附近海域修建地基，設計電梯時(shí)速200公里，從地面到太空軌道單程需要7天時(shí)間。預計工程將在2050年建成。

　　不過(guò)，隨著(zhù)項目開(kāi)展，研究和施工人員在論證和實(shí)際操作過(guò)程中發(fā)現越來(lái)越多的問(wèn)題。他們自己也坦言，修建太空電梯只是“嘗試”。目前項目進(jìn)展如何無(wú)從知曉，陷入了“高開(kāi)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來(lái)自人類(lèi)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(lèi)的通力合作。世界各國是否愿意且能夠擱置爭議，通過(guò)協(xié)商合作、共同建設，互惠共享這一全人類(lèi)的共同財富才是關(guān)鍵。