太空電梯離我們還有多遠

來源：人民日報

作者：魏飛

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

太空電梯的原理是這樣的：將一根極長的纜繩，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，再在更遠處設置配重。地球自轉時，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，就有科學家提出建造直達太空的“天梯”。這一設想提出已逾百年，似乎仍停留在想象階段，原因何在？問題的關鍵，在于找到足夠強韌的纜繩材料。

太空電梯纜繩必須同時承受巨大的重力和離心力作用，對材料的抗拉強度要求極高。有沒有既輕又強的“超級材料”呢？1991年，科學家發現了碳納米管，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構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，它是人類發現的力學性能最優的材料之一：理論上，單壁碳納米管的抗拉強度可超過100吉帕，是最好鋼材的數百倍；其楊氏模量（衡量材料剛性的指標）高達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，單位質量的強度很高。

為了讓碳納米管早日從實驗室走向太空，中國科學家一直在探索。清華大學化學工程系反應工程團隊長期從事碳納米管材料的可控制備與應用研究，努力攻堅材料難題。

首先是突破長度極限。實際制備中，碳納米管長度通常只有幾十微米，且內部存在大量結構缺陷，實際強度遠低于理論值。2013年，研究團隊通過提高催化劑活性概率，成功制備出單根長度超過半米的碳納米管，為超長碳納米管的規模化制備奠定了基礎。

研究團隊還探索組裝“超強”纖維。單根碳納米管再強，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，清華大學化工系與航院團隊在《自然·納米技術》發表論文稱，采用氣流聚焦法，制備出厘米級超長碳納米管管束，拉伸強度達到80吉帕以上。

太空電梯纜繩需承受反復拉伸，需要“百折不斷”。2020年，研究團隊在《科學》雜志發表論文，首次通過實驗測試了單根碳納米管的抗疲勞性能，發現碳納米管可被連續拉伸上億次而不發生斷裂，去掉載荷后仍能保持初始的超高強度。

盡管碳納米管研究取得了長足進展，但距離真正建造太空電梯仍有相當距離。

規模化制備是挑戰，實驗室目前能制備的超長碳納米管長度在半米至米級，而太空電梯纜繩需要達到數萬公里；太空環境是考驗，纜繩需要穿越地球大氣層，要經受風雨雷電，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、電梯廂動力系統等復雜工程問題。這些都需要跨學科協作解決。

太空電梯還只是停留在科幻電影里，但碳納米管的發現和研究進展，讓這個設想具備了堅實的材料基礎。從實驗室到應用的道路漫長而艱辛，但科學探索的魅力正在于此——每一次突破都是對未知的叩問，每一步前進都在拓展人類能力的邊界。也許在不遠的將來，太空電梯將成為人類邁向星辰大海的真正天梯。