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，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，為實現太空電梯構想邁出了重要一步。

　　想搭“天梯”得先造出纜繩

　　科幻電影《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。將來現實世界中真的能打造這樣一座通天電梯嗎？相關技術進展到了哪一步？對此，華西都市報、封面新聞記者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范。

　　“太空電梯的原理並不復雜，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激光能轉變成的電能沿纜繩上下運動。”龐之浩在接受記者採訪時指出，纜繩是太空電梯的關鍵技術和設備，“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最大障礙是纜索的建造，它需要用又強又輕的材料制成，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提出的標准，制備“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吉帕（克/立方厘米）。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），遠低於美國國家航空航天局所提出的指標。

　　幸運的是，1991年碳納米管的發現，給人類百年的天梯夢想帶來了一線曙光。

　　碳納米管：“天梯”纜繩的曙光

　　據張如范介紹，碳納米管理論上的抗拉強度超過100吉帕，其單位質量上的比強度則超過了62.5吉帕（克/立方厘米）。2018年，清華大學魏飛教授和張如范副教授團隊利用超長碳納米管制成的管束的抗拉強度達到80吉帕，單位質量上的比強度則達到50吉帕（克/立方厘米），遠超過美國國家航空航天局所提出的標准。

　　“碳納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，這種新型納米材料是人類已知的力學強度最高的材料。”張如范說。如果拿鋼鐵作為參照物，碳納米管在單位質量上的抗拉強度（即比強度）大約是鋼鐵的400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厘米的碳納米管纖維至少能承受3200噸的重量。

　　而碳納米管“百折不斷”的耐疲勞特性也讓它能在動蕩多變的太空環境下長時間承擔電梯纜繩的職責，“一根鐵絲在手裡反復彎折幾十次就會斷裂，但通過實驗研究發現，在大應變循環拉伸測試條件下，單根碳納米管可以被連續拉伸上億次而不發生斷裂，並且在去掉載荷后，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。”

　　什麼時候可以開始“造繩工程”呢？張如范說，目前最關鍵的難題是實現超長碳納米管的大批量制備。所謂超長碳納米管，是指具有厘米級甚至分米級以上的宏觀長度和低缺陷密度的一種碳納米管類型，隻有超長碳納米管，才能充分發揮碳納米管自身的性能優勢，並將性能體現在宏觀的碳納米管纖維等樣品中。

　　當超長碳納米管能夠大批量制備后，制造長達9.6萬公裡的天梯纜繩就變成可能，“把碳納米管‘搓’成一條繩子，碳納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。”

　　在超長碳納米管的制備方面，張如范團隊在今年取得了進一步突破，實現了超長碳納米管產率的大幅度提升，從而在批量制備方面又往前邁進了一大步。

　　目前，張如范團隊仍在努力攻關超長碳納米管的批量制備，希望通過進一步的研究，創造能夠讓更多超長碳納米管生長的條件。或許在不遠的將來，人們就能坐上以碳納米管制成纜繩的“天梯”前往太空了。

　　華西都市報-封面新聞記者 譚羽清 邊雪

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