科技有狠活|想搭乘《流浪地球2》太空电梯?别急,先用超长碳纳米管“搓”缆绳

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封面新闻 2023-02-04 18:19 108146

封面新闻记者 谭羽清 边雪 部分图片由被访者提供

人类对太空电梯的构想,最早可追溯到两个世纪前。1895年,俄国科学家、航天之父齐奥尔科夫斯基参观埃菲尔铁塔时迸发出对太空电梯的原始构想:能不能在赤道上建造一座直通太空的塔,像圣经里的巴别塔一样,这样一来人们乘坐升降梯就可以到达太空。2018年9月25日,日本在国际空间站上完成了人类首次在太空中移动缆绳上的容器,为实现太空电梯迈出了重要一步。

近期上映的《流浪地球2》中,出现的太空电梯再次唤起了公众对“天梯”的关注。

《流浪地球2》中太空电梯(图片源自网络)

将来现实世界中真的能搭造这样一座通天电梯吗?相关技术进展到了哪一步?对此,封面新闻对话了全国空间探测技术首席科学传播专家,卫星应用产业协会首席专家庞之浩,清华大学化工系副教授张如范。

想搭“天梯”?那得先造出它的缆绳

“太空电梯的原理并不复杂,说到底就是将一条长长的缆绳一端固定在地球上,另一端固定在地球静止轨道的平衡物(如大型空间站)上。在引力和离心加速度的相互作用下,缆绳绷紧,太空电梯便可利用太阳能或激光能转变成的电能沿缆绳上下运动。”

设想中的太空电梯

庞之浩在接受封面新闻记者采访时指出,缆绳是太空电梯的关键技术和设备。

“由于太空电梯的缆绳要承受地心引力和离心力的双重拉扯,所以目前建造太空电梯的最大障碍是缆索的建造,它需要用又强又轻的材料制成,并能够经受住大气层内外向它袭来的任何物体的撞击。”

根据美国国家航空航天局(NASA)提出的标准,制备“天梯”所需要的材料单位质量上的强度(即比强度)至少要达到7.5 GPa(g/cm³)。

为此,太空电梯概念提出后的很长一段时间里,它被认为是不可能实现的,因为不管用多么坚固的材料制造缆索,都承受不了太空电梯两端产生的巨大拉力而发生断裂,“如果用很粗钢缆当缆绳会因缆绳自身重量太重而掉下来。” 庞之浩说道。

碳纤维是一种已广为人知的高强度材料。目前最好的碳纤维,如碳纤维T1100,单位质量上的抗拉强度约为3.5Gpa(g/cm³),也远低于NASA所提出的指标7.5 GPa(g/cm³)。

碳纳米管:“天梯”缆绳的一线曙光

幸运的是,1991年碳纳米管的发现,给人类百年的天梯梦想带来了一线曙光。

据张如范介绍,碳纳米管理论上的抗拉强度超过100 GPa,其单位质量上的比强度则超过了62.5 GPa(g/cm³)。

碳纳米管的结构

2018年,魏飞教授和张如范副教授团队利用超长碳纳米管制成的管束的抗拉强度达到80 GPa,单位质量上的比强度则达到50 GPa(g/cm³),远远超过NASA所提出的标准,展示出利用超长碳纳米管制备出的超强纤维在建造天梯方面的巨大潜力和前景。

碳纳米管管束示意图

“碳纳米管是目前人类已经发现的材料中,唯一有希望建造‘天梯’的材料,这种新型纳米材料是人类已知的力学强度最高的材料。”张如范说道。他表示,碳纳米管是由碳原子通过SP2杂化形成的碳-碳化学键(C-C)组成,通过SP2或SP3杂化形成的碳-碳键具有非常高的键能和强度。

如果拿钢铁作为参照物,碳纳米管在单位质量上的抗拉强度(即比强度)大约是钢铁的四百多倍,而碳纤维的比强度仅为钢铁的28倍;从理论上讲,一根直径仅为2厘米的碳纳米管纤维至少能承受3200吨的重量。

而碳纳米管“百折不断”的耐疲劳特性也让它能在动荡多变的太空环境下长时间承担电梯缆绳的职责,“我们可以观察到,一个铁丝在手里反复弯折几十次就会断裂。但我们通过实验研究发现,在大应变循环拉伸测试条件下,单根碳纳米管可以被连续拉伸上亿次而不发生断裂,并且在去掉载荷后,其依然能保持初始的超高抗拉强度,耐疲劳性优于目前所有工程纤维材料。”

碳纳米管通过包覆无机氧化物涂层实现结构致色和阻燃性能提升

此外,张如范的团队在2022年还通过为碳纳米管包覆无机氧化物涂层的方式,让碳纳米管不仅能从原本的单调黑颜色变成彩色,这种氧化物涂层还赋予了碳纳米管极好的阻燃性能和抗氧化性能。今后,如果碳纳米管穿上了这一涂层进入太空,可以说就像穿上了一件“宇航服”,使其使用寿命大大增加。

用超长碳纳米管“搓”出缆绳

既然太空电梯缆绳的理想材料和它的“宇航服”都已经找到,什么时候可以开始“造绳工程”了?张如范说,目前最关键的难题是要实现超长碳纳米管的大批量制备,从而才能大批量制备出超过NASA所提抗拉强度标准的超强碳纳米管纤维。

所谓超长碳纳米管,是指具有厘米级甚至分米级以上的宏观长度和低缺陷密度的一种碳纳米管类型,只有超长碳纳米管,才能充分发挥碳纳米管自身的性能优势,并将性能体现在宏观的碳纳米管纤维等样品中。

不同类型的碳纳米管

张如范解释:“目前能实现大批量制备的碳纳米管大部分长度都太短(一般局限在几十微米),并且存在较多的结构缺陷,没法充分发挥它们自身的优异性能,使其在制备纤维方面并不具备优势,所得到的碳纳米管纤维与理论上的性能相比还有不小的差距。”

当超长碳纳米管能够大批量制备后,长达9.6万公里的天梯缆绳的制备就变得可能,“当碳纳米管的长度达到几厘米的时候,你把它们‘搓’成一条绳子,碳纳米管相互间的摩擦力就足以比它自身的抗拉力强度还要高。当它们这样相互‘锁定’起来,碳纳米管纤维的整体抗拉力强度也就可以和单根碳纳米管的抗拉力强度更加接近。”

在超长碳纳米管的制备方面,张如范的团队在2023年取得了进一步突破,实现了超长碳纳米管产率的大幅度提升,从而在其批量制备方面又往前迈进了一大步。

目前,他的团队正在努力攻关超长碳纳米管的批量制备,希望通过进一步的研究,创造能够让更多超长碳纳米管生长的条件。或许在可以等到的将来,人们就能坐上以碳纳米管制成缆绳的“天梯”前往太空了。

值得一提的是,如果超长碳纳米管制成的超强纤维能够大批量生产,它的应用领域不仅仅是天梯缆绳,“它其实在现代社会的很多领域都有非常广阔的应用前景,比如做火箭导弹的骨架、空间站的骨架、航空母舰舰载机拦截索,军事上的防弹衣、风力发电设备的骨架材料等。”

评论 10

  • fm1906641 2023-02-07 发表于四川

  • 妖遥舀药 2023-02-06 发表于四川

  • fm114514 2023-02-05 发表于四川

    百年后吧

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