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(shè)置配重。地球自轉(zhuǎn)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。
早在1895年，就有科學(xué)家提出建造直達太空的“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(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，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)量的強度很高。
為了讓碳納米管早日從實驗室走向太空，中國科學(xué)家一直在探索。清華大學(xué)化學(xué)工程系反應(yīng)工程團隊長期從事碳納米管材料的可控制備與應(yīng)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(nèi)部存在大量結(jié)構(gòu)缺陷，實際強度遠低于理論值。2013年，金沙電玩app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(guī)模化制備奠定了基礎(chǔ)。
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(xué)化工系與航院團隊在《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(fù)拉伸，需要“百折不斷”。2020年，研究團隊在《科學(xué)》雜志發(fā)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(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(dāng)距離。
規(guī)模化制備是挑戰(zhàn)，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(shù)萬公里；太空環(huán)境是考驗，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)和研究進展，讓這個設(shè)想具備了堅實的材料基礎(chǔ)。從實驗室到應(yīng)用的道路漫長而艱辛，但科學(xué)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。
(作者為清華大學(xué)化學(xué)工程系教授，本報記者吳月整理)
《 人民日報 》( 2026年01月24日 06 版)
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