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专家称太空梯设想难实现 碳纳米管强硬不够


http://www.sina.com.cn 2006年05月23日 10:59 新浪科技

  据《自然》杂志23日报道,“太空梯”设想的提出曾引起广泛关注,但意大利一位科学家日前表示,这一设想不可能实现,因为搭建太空梯的碳纳米管缆绳根本无法支撑数十万公里长的太空梯重量,从短期讲,太空梯充其量只不过是个“太空梦”。

  意大利都灵工艺研究院科学家尼古拉·普哥诺表示,科学家无法在短期内以碳纳米管为材料制造出太空梯的缆绳。普哥诺的计算结果显示,碳纳米管不可避免的缺陷意味着这
种缆绳将不够牢固。“太空梯”的设想在科幻小说中经常被提出,作者想象了一座架设在地球表面与太空之间长达十万公里的“太空梯”,货物和太空游客可以通过缆绳爬升到低地球轨道,消除了火箭发射的必要。

  在发现碳纳米管具有令人难以置信的高强度/重量比后,研究人员便希望借鉴科幻小说中的设想,将太空梯从想象变为现实。然而,普哥诺却认为,碳纳米管的原子标度缺陷将会令缆绳的强度降低70%。研究人员认为,太空梯缆绳的最佳形状应是丝带,宽约一米、薄如纸的丝带,需承受得住至少62吉帕斯卡(GPa)的压力。这相当于一场逾20万参加的拔河比赛,绳子的每一侧至少有10 万人在拉拽。

  实验室测试表明,单个纳米管能承受得住平均约100吉帕斯卡的压力,这一不同寻常的强度来自于纳米管特有的晶体结构。不过,纳米管每流失一个碳原子,其强度便会相应降低30%。而由这种纳米管制造的体积庞大的材料甚至更不牢固。迄今为止,以纳米管为材料的大部分纤维的强度远低于1吉帕斯卡。

  研究人员最近对高质量纳米管的测算发现,纳米管缆绳每打1012个结,便会流失一个碳原子,而每4微米长的纳米管便会有一个缺陷。虽然两个以上原子流失的缺陷极为罕见,但普哥诺指出,按照太空梯的规模,从理论上讲存在这种可能性。

  普哥诺利用其自行设计的数学模型——通过预测诸如纳米晶体

钻石等材料的强度测算出来的,经计算发现稍大的缺陷不可避免地让缆绳强度低于30吉帕斯卡。普哥诺的论文已在网络服务器arXiv2上公布,还会出现在7月份刊登的《物理学报:凝聚物质》上。普哥诺同时指出,即便毫无缺陷的纳米管能够用于制造太空梯,但来自微陨星撞击、甚至氧原子的腐蚀都有可能会令纳米管强度减弱。在回答太空梯是否能成为现实的问题时,普哥诺说:“按照当今的技术水平,这个梦想永远甭想实现。”

  普哥诺的这一结论与物理学家布拉德利·爱德华兹的设想形成鲜明对比。爱德华兹曾为美国宇航局进行过太空梯的可行性研究,他随后出版的一本著作令其成为太空梯项目最频繁的“代言人”。爱德华兹是美国达拉斯“碳设计”( Carbon Designs)公司创始人,目前任该公司总裁,他对太空梯引发的争议嗤之以鼻。

  爱德华兹说,倘若获得足够的经费,他就能在三年内制造出62吉帕斯卡基准以上的缆绳。他表示,建造太空梯的重要一步是将长长的纳米管紧紧地捻在一起,这将加大纳米管互相之间的摩擦力,从而令单个纳米管的力量变得微不足道。

  但按照普哥诺的计算,稍大的瑕疵会严重削弱缆绳的强度,无论缆绳如何制造。迄今为止的实验室研究似乎也并未激发研究人员对太空梯的前景抱太多希望。达拉斯纳米技术研究所主任雷·鲍曼去年在《科学》杂志上发表的一篇论文描述了一种以类似于爱德华兹最喜欢设计的方式捻起来的一米长缆绳。但这些缆绳的强度也低于1吉帕斯卡。

  鲍曼说,普哥诺的研究结果事实上并不令人感到吃惊。众所周知,数十年来,晶体材料对各种缺陷过于敏感,一旦体积增加,晶体材料的强度就会显著下降。但鲍曼认为科学家有朝一日定会找到建造太空梯的方案。他说,太空梯“虽然不会在我有生之年成为现实,但并不表示这一梦想永远无法实现。”(杨孝文 任秋凌)

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