科技有狠活｜想搭乘《流浪地球2》太空電梯？別急，先用超長碳奈米管“搓”纜繩

封面新聞記者 譚羽清 邊雪 部分圖片由被訪者提供

人類對太空電梯的構想，最早可追溯到兩個世紀前。1895年，俄國科學家、航天之父齊奧爾科夫斯基參觀埃菲爾鐵塔時迸發出對太空電梯的原始構想：能不能在赤道上建造一座直通太空的塔，像聖經裡的巴別塔一樣，這樣一來人們乘坐升降梯就可以到達太空。2018年9月25日，日本在國際空間站上完成了人類首次在太空中移動纜繩上的容器，為實現太空電梯邁出了重要一步。

近期上映的《流浪地球2》中，出現的太空電梯再次喚起了公眾對“天梯”的關注。

《流浪地球2》中太空電梯（圖片源自網路）

將來現實世界中真的能搭造這樣一座通天電梯嗎？相關技術進展到了哪一步？對此，封面新聞對話了全國空間探測技術首席科學傳播專家，衛星應用產業協會首席專家龐之浩，清華大學化工系副教授張如範。

想搭“天梯”？那得先造出它的纜繩

“太空電梯的原理並不複雜，說到底就是將一條長長的纜繩一端固定在地球上，另一端固定在地球靜止軌道的平衡物（如大型空間站）上。在引力和離心加速度的相互作用下，纜繩繃緊，太空電梯便可利用太陽能或鐳射能轉變成的電能沿纜繩上下運動。”

設想中的太空電梯

龐之浩在接受封面新聞記者採訪時指出，纜繩是太空電梯的關鍵技術和裝置。

“由於太空電梯的纜繩要承受地心引力和離心力的雙重拉扯，所以目前建造太空電梯的最大障礙是纜索的建造，它需要用又強又輕的材料製成，並能夠經受住大氣層內外向它襲來的任何物體的撞擊。”

根據美國國家航空航天局（NASA）提出的標準，製備“天梯”所需要的材料單位質量上的強度（即比強度）至少要達到7。5 GPa（g/cm³）。

為此，太空電梯概念提出後的很長一段時間裡，它被認為是不可能實現的，因為不管用多麼堅固的材料製造纜索，都承受不了太空電梯兩端產生的巨大拉力而發生斷裂，“如果用很粗鋼纜當纜繩會因纜繩自身重量太重而掉下來。” 龐之浩說道。

碳纖維是一種已廣為人知的高強度材料。目前最好的碳纖維，如碳纖維T1100，單位質量上的抗拉強度約為3。5Gpa（g/cm³），也遠低於NASA所提出的指標7。5 GPa（g/cm³）。

碳奈米管：“天梯”纜繩的一線曙光

幸運的是，1991年碳奈米管的發現，給人類百年的天梯夢想帶來了一線曙光。

據張如範介紹，碳奈米管理論上的抗拉強度超過100 GPa，其單位質量上的比強度則超過了62。5 GPa（g/cm³）。

碳奈米管的結構

2018年，魏飛教授和張如範副教授團隊利用超長碳奈米管制成的管束的抗拉強度達到80 GPa，單位質量上的比強度則達到50 GPa（g/cm³），遠遠超過NASA所提出的標準，展示出利用超長碳奈米管制備出的超強纖維在建造天梯方面的巨大潛力和前景。

碳奈米管管束示意圖

“碳奈米管是目前人類已經發現的材料中，唯一有希望建造‘天梯’的材料，這種新型奈米材料是人類已知的力學強度最高的材料。”張如範說道。他表示，碳奈米管是由碳原子透過SP2雜化形成的碳-碳化學鍵（C-C）組成，透過SP2或SP3雜化形成的碳-碳鍵具有非常高的鍵能和強度。

如果拿鋼鐵作為參照物，碳奈米管在單位質量上的抗拉強度（即比強度）大約是鋼鐵的四百多倍，而碳纖維的比強度僅為鋼鐵的28倍；從理論上講，一根直徑僅為2釐米的碳奈米管纖維至少能承受3200噸的重量。

而碳奈米管“百折不斷”的耐疲勞特性也讓它能在動盪多變的太空環境下長時間承擔電梯纜繩的職責，“我們可以觀察到，一個鐵絲在手裡反覆彎折幾十次就會斷裂。但我們透過實驗研究發現，在大應變迴圈拉伸測試條件下，單根碳奈米管可以被連續拉伸上億次而不發生斷裂，並且在去掉載荷後，其依然能保持初始的超高抗拉強度，耐疲勞性優於目前所有工程纖維材料。”

碳奈米管透過包覆無機氧化物塗層實現結構致色和阻燃效能提升

此外，張如範的團隊在2022年還透過為碳奈米管包覆無機氧化物塗層的方式，讓碳奈米管不僅能從原本的單調黑顏色變成彩色，這種氧化物塗層還賦予了碳奈米管極好的阻燃效能和抗氧化效能。今後，如果碳奈米管穿上了這一塗層進入太空，可以說就像穿上了一件“宇航服”，使其使用壽命大大增加。

用超長碳奈米管“搓”出纜繩

既然太空電梯纜繩的理想材料和它的“宇航服”都已經找到，什麼時候可以開始“造繩工程”了？張如範說，目前最關鍵的難題是要實現超長碳奈米管的大批次製備，從而才能大批次製備出超過NASA所提抗拉強度標準的超強碳奈米管纖維。

所謂超長碳奈米管，是指具有釐米級甚至分米級以上的宏觀長度和低缺陷密度的一種碳奈米管型別，只有超長碳奈米管，才能充分發揮碳奈米管自身的效能優勢，並將效能體現在宏觀的碳奈米管纖維等樣品中。

不同型別的碳奈米管

張如範解釋：“目前能實現大批次製備的碳奈米管大部分長度都太短（一般侷限在幾十微米），並且存在較多的結構缺陷，沒法充分發揮它們自身的優異效能，使其在製備纖維方面並不具備優勢，所得到的碳奈米管纖維與理論上的效能相比還有不小的差距。”

當超長碳奈米管能夠大批次製備後，長達9。6萬公里的天梯纜繩的製備就變得可能，“當碳奈米管的長度達到幾釐米的時候，你把它們‘搓’成一條繩子，碳奈米管相互間的摩擦力就足以比它自身的抗拉力強度還要高。當它們這樣相互‘鎖定’起來，碳奈米管纖維的整體抗拉力強度也就可以和單根碳奈米管的抗拉力強度更加接近。”

在超長碳奈米管的製備方面，張如範的團隊在2023年取得了進一步突破，實現了超長碳奈米管產率的大幅度提升，從而在其批次製備方面又往前邁進了一大步。

目前，他的團隊正在努力攻關超長碳奈米管的批次製備，希望透過進一步的研究，創造能夠讓更多超長碳奈米管生長的條件。或許在可以等到的將來，人們就能坐上以碳奈米管制成纜繩的“天梯”前往太空了。

值得一提的是，如果超長碳奈米管制成的超強纖維能夠大批次生產，它的應用領域不僅僅是天梯纜繩，“它其實在現代社會的很多領域都有非常廣闊的應用前景，比如做火箭導彈的骨架、空間站的骨架、航空母艦艦載機攔截索，軍事上的防彈衣、風力發電裝置的骨架材料等。”

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