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从"太空天梯"到"月球电梯" 神奇绳子连接天与地

http://www.kexue.com 2010-08-20 08:23:44 科技日报  发表评论


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  风靡一时的香港漫画《老夫子》,有这么一个画面:主人公老夫子将灯光对准月亮,然后钻进灯柱里往上爬。这时他的朋友过来抬手将灯光偏向别处。老夫子还没实现他登月的愿望就掉了下来。

  漫画看似滑稽荒唐,天底下哪有人能爬到月亮上去?

  老夫子是沿着光柱奔向月球,但现在有人要用绳子搭建电梯的方法实现,这些“绳子”有这么厉害?。

  用什么材料做如此电梯的缆绳是个十分困难的课题。这样,近期他们研究的重心,不是太空天梯,而是月球电梯——

  从“太空天梯”到“月球电梯”

  美国太空电梯研究公司“电梯港”日前宣称,他们可能要在10年之内造出一架“月球电梯”,人类将来有一天将有望乘坐这个超级电梯到达月球。

  这个决定其实是该公司“宏伟”计划的第一步:早在2003年,该公司就投入过巨资研究从地球通往太空的天梯。太空梯基本上就是一条长长的缆绳一端固定在地球上,另一端固定在地球同步轨道的平衡物(如大卫星)上。在引力和向心加速度的相互作用下,缆绳被绷紧,太空梯将利用太阳能或激光能沿缆绳上下运动。

  我们先不去想他们为什么要搭建这样一座不可思议的“电梯”,第一个问题是,他们到哪儿去找那么结实的绳子呢?

  用什么材料做如此电梯的缆绳是个十分困难的课题。也正因此,近期他们研究的重心,不是太空天梯,而是月球电梯——从月球上空5万公里处垂向月球表面的“电梯”。

  若要应用于太空梯,柴隆纤维有一个致命弱点必须克服——降解太快,太空梯缆绳不像很多简单部件那样可以在失效之前随时更换——

  “柴隆”:一毫米细丝吊起450公斤

  因为月球的引力仅为地球的1/6,所以“月球电梯”对缆绳强度的要求将远远小于从地球表面通向太空的。科学家已经选用了一种日本生产的高强度、高耐热性的复合纤维——“柴隆”(Zylong)。

  上海交通大学材料科学科学与工程学院李华博士告诉科技日报记者:“一根直径为1毫米的‘柴隆’细丝可以吊起450公斤的重量。”

  “柴隆”被称为21世纪的超级纤维,是化学成分叫做聚对苯撑苯并双噁唑(PBO)的纤维的商品名。

  PBO是20世纪80年代美国为发展航天航空事业而开发的复合材料用增强纤维,具有十分优异的力学性能和物化性能。日本东洋纺公司2004年实现了PBO纤维的工业化生产并命名为“柴隆”。

  “‘柴隆’纤维的力学、耐热、阻燃灯性能都具备用来打造‘月球电梯’缆绳的条件。而且相比于碳纳米绳来说,在原料价格和加工成本上,‘柴隆’也比碳纳米绳要低得多。”

  “但是,若要应用于太空梯,柴隆纤维有一个致命弱点必须克服——降解太快!毕竟,太空梯缆绳不像很多简单部件那样可以在失效之前随时更换的吧。”李华说。

  迄今为止,科学家仍然无法用碳纳米管编织出长长的缆绳,在长的缆绳中,实现碳纳米管的结构完整性和强度的一致性是一个非常难解决的问题——

  碳纳米绳:一毫米细丝承载60吨

  2003年,该公司研究从地球通往太空的天梯时,也找到了可能制造天梯缆绳的材料,那就是在1991年发明的碳纳米绳。“据说直径1毫米的碳纳米绳可以承载60吨重量。”

  李华博士介绍说:“碳纳米绳是一种用纳米碳管组成的纤维‘编织’而成。纳米碳管是一种管状的纳米级石墨晶体,是单层或多层石墨片围绕中心轴按一定的螺旋角卷曲而成的无缝纳米管。”

  这种“纳米绳”虽然很细,但刚度和硬度都很大,因为它们是由纳米碳管构成的,而纳米碳管的直径是一根头发直径的五千分之一,其强度是钢的100倍,弹性应变量可达钢的60倍。

  李华继续说道:“然而迄今为止,科学家仍然无法用碳纳米管编织出长长的缆绳,在长的缆绳中,实现碳纳米管的结构完整性和强度的一致性是一个非常难解决的问题。”

  另外,理论强度最高的单壁碳纳米管的价格还在数百美元每克,可见制造出一条10万公里长的碳纳米管缆绳,显然更是一笔天文数字般的造价。

  “月球电梯”的设想相当伟大,但也存在相当多技术问题需要解决。想象着人类只需经过几次换乘,就可以直达月球。这也许最终只是个美好的梦想。

  “柴隆”是极其理想的纺织原料,碳纳米管具有的超强超韧性能,以及导电导热性能使其正在逐渐被广泛应用在各种复合材料以及涂层材料中——

  神奇材料日常用处多

  在日常生活中,对各种材料的要求自然都不可能像太空梯那样严格和极端。那么“柴隆”和“碳纳米绳”(或者更广泛的说,碳纳米管)这些神奇的材料有哪些大显身手的机会?

  李博士一一介绍说:“‘柴隆’是极其理想的纺织原料,其长丝可用于轮胎、胶带(运输带)、胶管等橡胶制品的补强材料,各种塑料和混凝土等的补强材料,弹道导弹和复合材料的增强组分,纤维光缆的受拉件和光缆的保护膜等。‘柴隆’的纱线可应用制造消防服、炉前工作服、焊接工作服、耐热工作服、防切割保护服、安全手套和各种运动服等。而碳纳米管具有的超强超韧性能,以及导电导热性能使其正在逐渐被广泛应用在各种复合材料以及涂层材料中,如增强增韧树脂、导电复合材料、导热涂料、导电浆料等等。”

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  太空材料“身份”多

  除了打造月球电梯的缆绳,从当年的太空材料演化而来的材料也很多。可以说在衣食住行、生产生活,各个行业各个方面不胜枚举、俯拾皆是。

  有几个有趣的例子:美国航天局制陶研究中心与美国Ceradyne公司合作研制的多晶氧化铝(TPA),用来保护热能追踪导弹上的红外线天线半透明罩,目前被用来制作成了透明牙套,还广受欢迎。

  美国宇航局发明的一种特殊特种涂料,以保护其空间设备免受其害,特别是航天员的头盔。

  后来一家太阳眼镜制造商将这种特殊塑料涂层用于太阳眼镜,使得其耐划痕能力比普通眼镜强十倍以上。

  能让宇航员采集到月球岩石和土壤的样本的电池驱动的磁式自动钻能在有限的空间环境内工作,它的一种计算机程序,可以减少自动钻在使用过程中消耗的电量,最大限度地延长了电池的寿命。

  现在这项技术原理早已发扬光大,并利用此发明了重量轻,电池驱动的各式各样的无线工具,如轻量式无线医疗仪器、手提式真空吸尘器等,直接服务于消费者。

  背景阅读

  美国宇航局专家称,通过对月球上不同地方的土壤和紫外线发射水平进行研究,它们可以确定何处月球土壤中含有氧气。美国航宇局专家吉姆加尔温称,专家利用天文望远镜对月球阿里斯塔尔赫环形山进行了观察,这一环形山位于月球亮区与暗区的边界。很早以前天文学家就认为,这一地区具有特殊的地质结构。在这一地区天文学家发现了大量的“钛铁矿石”,将这些矿石加热或通电,就可以从中分离出氧气。分离出来的氧气可以用来呼吸或者制造火箭燃料。

  有关科学家声称,如果这一造氧科技可行,那么月球上的造氧工厂将会非常庞大。它包含一个专门挖掘月球泥土的采矿厂,这些月球泥土将被送进一个巨大的“月球造氧机器”,该机器中进入的是泥土,吐出的将是氧气。从月球上挖土将会比地球上更轻松,因为月球的重力比地球小得多。

(责任编辑:KT)

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