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太空电梯有着落了! 中国发明世界强度最大纤维 1立方厘米可承受160头大象

发布时间:2020-04-30 09:42 点击次数:

 北京清华大学的一个研究小组开发出了一种纤维,他们说这种纤维非常坚固,甚至可以用来建造升降机。

 
他们说,这种由碳纳米管制成的纤维仅1立方厘米就能够承受160头大象或超过800吨的重量。而这一小块纤维的重量只有1.6克。
 
“这是一个重大突破,”西安西北工业大学重要升降电梯研究中心的科学家Wang Changqing表示。他没有参与清华的研究。
 
中国研究小组已经从碳纳米管中开发出一种新的“超长”纤维,他们说这种纤维比以往任何纤维都要坚固。今年早些时候,他们为这项技术申请了专利,并在《自然纳米技术》杂志上发表了部分研究成果。
 
“很明显,碳纳米管束的抗拉强度至少是其他材料的9到45倍,”研究小组在论文中说。
 
他们表示,这种材料“在许多高端领域,如运动装备、弹道装甲、航空、航天、甚至太空电梯,将有很大需求”。
 
 
 
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建造一个可以从地球到太空的升降机的想法听起来像是科幻小说里的东西,但它已经存在了一个多世纪,科学家们在近几十年里想出了各种各样的设计。
 
其中一个想法是将一颗大型卫星送入与地球旋转同步的轨道,然后将一根缆绳拉到地面,并固定在地面,然后将另一根缆绳从相反的方向拉伸出去,并与一个平衡装置相连。
 
但到目前为止,太空升降机的想法仍然停留在物理和数学模型的领域,因为没有足够坚固的材料来制造超轻、超坚固的缆绳。
 
根据美国航空航天局(NASA)的数据,这些缆绳需要拥有不少于70亿吨的抗拉强度,才能承受拉伸。
 
事实上,NASA在2005年发起了一项全球竞赛来开发这种材料,奖金为200万美元。没有人能做到。
 
 
 
现在,清华大学化学工程系魏飞教授领导的研究小组表示,他们新的碳纳米管纤维的抗拉强度达到了800亿帕斯卡。
 
碳纳米管是由碳原子组成的圆柱形分子,呈六角形,直径小至1纳米。
 
它们的抗拉强度是已知的任何材料中较高的——已知材料的抗拉强度理论上较高可达3000亿帕。
 
但实际上,这些碳纳米管必须以缆绳的形式连接在一起,这个过程很困难,而且会影响产品的整体强度。
 
据太空升降机研究人员Wang Changqing表示,该运输系统需要3万多公里长的缆绳,还需要轨道和护罩等其他结构,以防止太空碎片和其他环境危害。
 
      Wang Changqing表示:“如果缆绳不够结实,它甚至不能承受自己的重量。到目前为止,还没有足够强度的材料来完成这项工作。”
 
     缆绳强度的要求根据太空升降机的设计而有所不同。Wang Changqing表示,碳纳米管纤维似乎是目前有前途的候选材料,但需要更多的计算和模拟来评估它的性能。
 
      “缆绳是一个大问题,但它不是仅有的问题,”他补充说。
 
       例如,中国和俄罗斯的太空科学家正在共同努力,寻找一种安全、有效的方法,将一根细细、轻如羽毛的缆绳从高空轨道延伸至地面。
 
      重新进入大气层会产生大量的热量,这可能会烧毁缆绳,而平衡重量可能需要像小行星一样的大小才能让缆绳保持垂直。
 
       Wang Changqing表示,这样一个项目的规模和复杂性将使国际空间站相形见绌。
 
       但包括中国、美国、俄罗斯和日本在内都在继续支持这项研究。
 
       上个月,日本发射了两颗卫星,用于研究太空电梯运动——这是首次进行这一实验——其中包括一架迷你电梯通过缆绳从一颗卫星传送到另一颗卫星。
 
      它还没有报告该实验结果。中国也进行了太空缆绳试验,但细节保密。
 
      尽管实现太空电梯仍为时尚早,但魏教授表示,他的团队正试图将碳纳米管纤维大规模生产,用于国防或其他领域。
 
      他表示:“这可能会在许多领域改变游戏规则。”
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