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