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        “太空梯”設(shè)想難實(shí)現(xiàn) 碳納米管強(qiáng)度不夠

        [ 2006-05-25 10:50 ]

         

        太空梯實(shí)驗(yàn)

        太空電梯電腦效果圖

        環(huán)球在線(xiàn)消息:據(jù)《自然》雜志23日?qǐng)?bào)道,“太空梯”設(shè)想的提出曾引起廣泛關(guān)注,但意大利一位科學(xué)家日前表示,這一設(shè)想不可能實(shí)現(xiàn),因?yàn)榇罱ㄌ仗莸奶技{米管纜繩根本無(wú)法支撐數(shù)十萬(wàn)公里長(zhǎng)的太空梯重量,從短期講,太空梯充其量只不過(guò)是個(gè)“太空夢(mèng)”。 

        意大利都靈工藝研究院科學(xué)家尼古拉·普哥諾表示,科學(xué)家無(wú)法在短期內(nèi)以碳納米管為材料制造出太空梯的纜繩。普哥諾的計(jì)算結(jié)果顯示,碳納米管不可避免的缺陷意味著這種纜繩將不夠牢固。“太空梯”的設(shè)想在科幻小說(shuō)中經(jīng)常被提出,作者想象了一座架設(shè)在地球表面與太空之間長(zhǎng)達(dá)十萬(wàn)公里的“太空梯”,貨物和太空游客可以通過(guò)纜繩爬升到低地球軌道,消除了火箭發(fā)射的必要。

        在發(fā)現(xiàn)碳納米管具有令人難以置信的高強(qiáng)度/重量比后,研究人員便希望借鑒科幻小說(shuō)中的設(shè)想,將太空梯從想象變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。然而,普哥諾卻認(rèn)為,碳納米管的原子標(biāo)度缺陷將會(huì)令纜繩的強(qiáng)度降低70%。研究人員認(rèn)為,太空梯纜繩的最佳形狀應(yīng)是絲帶,寬約一米、薄如紙的絲帶,需承受得住至少62吉帕斯卡(GPa)的壓力。這相當(dāng)于一場(chǎng)逾20萬(wàn)參加的拔河比賽,繩子的每一側(cè)至少有10 萬(wàn)人在拉拽。

        實(shí)驗(yàn)室測(cè)試表明,單個(gè)納米管能承受得住平均約100吉帕斯卡的壓力,這一不同尋常的強(qiáng)度來(lái)自于納米管特有的晶體結(jié)構(gòu)。不過(guò),納米管每流失一個(gè)碳原子,其強(qiáng)度便會(huì)相應(yīng)降低30%。而由這種納米管制造的體積龐大的材料甚至更不牢固。迄今為止,以納米管為材料的大部分纖維的強(qiáng)度遠(yuǎn)低于1吉帕斯卡。

        研究人員最近對(duì)高質(zhì)量納米管的測(cè)算發(fā)現(xiàn),納米管纜繩每打1012個(gè)結(jié),便會(huì)流失一個(gè)碳原子,而每4微米長(zhǎng)的納米管便會(huì)有一個(gè)缺陷。雖然兩個(gè)以上原子流失的缺陷極為罕見(jiàn),但普哥諾指出,按照太空梯的規(guī)模,從理論上講存在這種可能性。

        普哥諾利用其自行設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型——通過(guò)預(yù)測(cè)諸如納米晶體鉆石等材料的強(qiáng)度測(cè)算出來(lái)的,經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)稍大的缺陷不可避免地讓纜繩強(qiáng)度低于30吉帕斯卡。普哥諾的論文已在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器arXiv2上公布,還會(huì)出現(xiàn)在7月份刊登的《物理學(xué)報(bào):凝聚物質(zhì)》上。普哥諾同時(shí)指出,即便毫無(wú)缺陷的納米管能夠用于制造太空梯,但來(lái)自微隕星撞擊、甚至氧原子的腐蝕都有可能會(huì)令納米管強(qiáng)度減弱。在回答太空梯是否能成為現(xiàn)實(shí)的問(wèn)題時(shí),普哥諾說(shuō):“按照當(dāng)今的技術(shù)水平,這個(gè)夢(mèng)想永遠(yuǎn)甭想實(shí)現(xiàn)。”

        普哥諾的這一結(jié)論與物理學(xué)家布拉德利·愛(ài)德華茲的設(shè)想形成鮮明對(duì)比。愛(ài)德華茲曾為美國(guó)宇航局進(jìn)行過(guò)太空梯的可行性研究,他隨后出版的一本著作令其成為太空梯項(xiàng)目最頻繁的“代言人”。愛(ài)德華茲是美國(guó)達(dá)拉斯“碳設(shè)計(jì)”( Carbon Designs)公司創(chuàng)始人,目前任該公司總裁,他對(duì)太空梯引發(fā)的爭(zhēng)議嗤之以鼻。

        愛(ài)德華茲說(shuō),倘若獲得足夠的經(jīng)費(fèi),他就能在三年內(nèi)制造出62吉帕斯卡基準(zhǔn)以上的纜繩。他表示,建造太空梯的重要一步是將長(zhǎng)長(zhǎng)的納米管緊緊地捻在一起,這將加大納米管互相之間的摩擦力,從而令單個(gè)納米管的力量變得微不足道。

        但按照普哥諾的計(jì)算,稍大的瑕疵會(huì)嚴(yán)重削弱纜繩的強(qiáng)度,無(wú)論纜繩如何制造。迄今為止的實(shí)驗(yàn)室研究似乎也并未激發(fā)研究人員對(duì)太空梯的前景抱太多希望。達(dá)拉斯納米技術(shù)研究所主任雷·鮑曼去年在《科學(xué)》雜志上發(fā)表的一篇論文描述了一種以類(lèi)似于愛(ài)德華茲最喜歡設(shè)計(jì)的方式捻起來(lái)的一米長(zhǎng)纜繩。但這些纜繩的強(qiáng)度也低于1吉帕斯卡。

        鮑曼說(shuō),普哥諾的研究結(jié)果事實(shí)上并不令人感到吃驚。眾所周知,數(shù)十年來(lái),晶體材料對(duì)各種缺陷過(guò)于敏感,一旦體積增加,晶體材料的強(qiáng)度就會(huì)顯著下降。但鮑曼認(rèn)為科學(xué)家有朝一日定會(huì)找到建造太空梯的方案。他說(shuō),太空梯“雖然不會(huì)在我有生之年成為現(xiàn)實(shí),但并不表示這一夢(mèng)想永遠(yuǎn)無(wú)法實(shí)現(xiàn)。”

        來(lái)源:新浪科技

         

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