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從“太空天梯”到“月球電梯”神奇繩子連接天與地

知識百科天梯

■將新聞進行到底風靡一時的香港漫畫《老夫子》 ， 有這么一個畫面：主人公老夫子將燈光對準月亮，然后鉆進燈柱里往上爬 。這時他的朋友過來抬手將燈光偏向別處 。老夫子還沒實現他登月的愿望就掉了下來 。漫畫看似滑稽荒唐，天底下哪有人能爬到月亮上去？老夫子是沿著光柱奔向月球 ， 但現在有人要用繩子搭建電梯的方法實現，這些“繩子”有這么厲害？ 。用什么材料做如此電梯的纜繩是個十分困難的課題 。這樣，近期他們研究的重心，不是太空天梯 ， 而是月球電梯——從“太空天梯”到“月球電梯”美國太空電梯研究公司“電梯港”日前宣稱 ， 他們可能要在10年之內造出一架“月球電梯” ， 人類將來有一天將有望乘坐這個超級電梯到達月球 。這個決定其實是該公司“宏偉”計劃的第一步：早在2003年，該公司就投入過巨資研究從地球通往太空的天梯 。太空梯基本上就是一條長長的纜繩一端固定在地球上，另一端固定在地球同步軌道的平衡物(如大衛星)上 。在引力和向心加速度的相互作用下 ， 纜繩被繃緊 ， 太空梯將利用太陽能或激光能沿纜繩上下運動 。我們先不去想他們為什么要搭建這樣一座不可思議的“電梯”，第一個問題是 ， 他們到哪兒去找那么結實的繩子呢？用什么材料做如此電梯的纜繩是個十分困難的課題 。也正因此，近期他們研究的重心，不是太空天梯 ， 而是月球電梯——從月球上空5萬公里處垂向月球表面的“電梯” 。若要應用于太空梯，柴隆纖維有一個致命弱點必須克服——降解太快 ， 太空梯纜繩不像很多簡單部件那樣可以在失效之前隨時更換——“柴隆”：一毫米細絲吊起450公斤因為月球的引力僅為地球的1/6，所以“月球電梯”對纜繩強度的要求將遠遠小于從地球表面通向太空的 。科學家已經選用了一種日本生產的高強度、高耐熱性的復合纖維——“柴隆”(Zylong) 。上海交通大學材料科學科學與工程學院李華博士告訴科技日報采訪人員：“一根直徑為1毫米的‘柴隆’細絲可以吊起450公斤的重量 ?！薄安衤　北环Q為21世紀的超級纖維 ， 是化學成分叫做聚對苯撐苯并雙?唑(PBO)的纖維的商品名 。PBO是20世紀80年代美國為發展航天航空事業而開發的復合材料用增強纖維 ， 具有十分優異的力學性能和物化性能 。日本東洋紡公司2004年實現了PBO纖維的工業化生產并命名為“柴隆” 。“‘柴隆’纖維的力學、耐熱、阻燃燈性能都具備用來打造‘月球電梯’纜繩的條件 。而且相比于碳納米繩來說，在原料價格和加工成本上，‘柴隆’也比碳納米繩要低得多 ?！薄暗?，若要應用于太空梯，柴隆纖維有一個致命弱點必須克服——降解太快！畢竟 ， 太空梯纜繩不像很多簡單部件那樣可以在失效之前隨時更換的吧 ?！崩钊A說 。迄今為止，科學家仍然無法用碳納米管編織出長長的纜繩 ， 在長的纜繩中 ， 實現碳納米管的結構完整性和強度的一致性是一個非常難解決的問題——碳納米繩：一毫米細絲承載60噸2003年，該公司研究從地球通往太空的天梯時，也找到了可能制造天梯纜繩的材料，那就是在1991年發明的碳納米繩 。“據說直徑1毫米的碳納米繩可以承載60噸重量 。”李華博士介紹說：“碳納米繩是一種用納米碳管組成的纖維‘編織’而成 。納米碳管是一種管狀的納米級石墨晶體，是單層或多層石墨片圍繞中心軸按一定的螺旋角卷曲而成的無縫納米管 。”這種“納米繩”雖然很細，但剛度和硬度都很大，因為它們是由納米碳管構成的，而納米碳管的直徑是一根頭發直徑的五千分之一 ， 其強度是鋼的100倍，彈性應變量可達鋼的60倍 。李華繼續說道：“然而迄今為止，科學家仍然無法用碳納米管編織出長長的纜繩 ， 在長的纜繩中，實現碳納米管的結構完整性和強度的一致性是一個非常難解決的問題 ?！绷硗?，理論強度最高的單壁碳納米管的價格還在數百美元每克，可見制造出一條10萬公里長的碳納米管纜繩，顯然更是一筆天文數字般的造價 ?！霸虑螂娞荨钡脑O想相當偉大 ， 但也存在相當多技術問題需要解決 。想象著人類只需經過幾次換乘 ， 就可以直達月球 。這也許最終只是個美好的夢想 。“柴隆”是極其理想的紡織原料，碳納米管具有的超強超韌性能，以及導電導熱性能使其正在逐漸被廣泛應用在各種復合材料以及涂層材料中——神奇材料日常用處多在日常生活中，對各種材料的要求自然都不可能像太空梯那樣嚴格和極端 。那么“柴隆”和“碳納米繩”(或者更廣泛的說 ， 碳納米管)這些神奇的材料有哪些大顯身手的機會？李博士一一介紹說：“‘柴隆’是極其理想的紡織原料 ， 其長絲可用于輪胎、膠帶(運輸帶)、膠管等橡膠制品的補強材料，各種塑料和混凝土等的補強材料 ， 彈道導彈和復合材料的增強組分，纖維光纜的受拉件和光纜的保護膜等 。‘柴隆’的紗線可應用制造消防服、爐前工作服、焊接工作服、耐熱工作服、防切割保護服、安全手套和各種運動服等 。而碳納米管具有的超強超韌性能，以及導電導熱性能使其正在逐漸被廣泛應用在各種復合材料以及涂層材料中，如增強增韌樹脂、導電復合材料、導熱涂料、導電漿料等等 。”■相關鏈接太空材料“身份”多除了打造月球電梯的纜繩，從當年的太空材料演化而來的材料也很多 。可以說在衣食住行、生產生活 ， 各個行業各個方面不勝枚舉、俯拾皆是 。有幾個有趣的例子：美國航天局制陶研究中心與美國Ceradyne公司合作研制的多晶氧化鋁(TPA)，用來保護熱能追蹤導彈上的紅外線天線半透明罩，目前被用來制作成了透明牙套，還廣受歡迎 。美國宇航局發明的一種特殊特種涂料，以保護其空間設備免受其害，特別是航天員的頭盔 。后來一家太陽眼鏡制造商將這種特殊塑料涂層用于太陽眼鏡，使得其耐劃痕能力比普通眼鏡強十倍以上 。能讓宇航員采集到月球巖石和土壤的樣本的電池驅動的磁式自動鉆能在有限的空間環境內工作，它的一種計算機程序，可以減少自動鉆在使用過程中消耗的電量，最大限度地延長了電池的壽命 ?，F在這項技術原理早已發揚光大 ， 并利用此發明了重量輕，電池驅動的各式各樣的無線工具，如輕量式無線醫療儀器、手提式真空吸塵器等，直接服務于消費者 ?！霰尘伴喿x美國宇航局專家稱，通過對月球上不同地方的土壤和紫外線發射水平進行研究，它們可以確定何處月球土壤中含有氧氣 。美國航宇局專家吉姆加爾溫稱，專家利用天文望遠鏡對月球阿里斯塔爾赫環形山進行了觀察，這一環形山位于月球亮區與暗區的邊界 。很早以前天文學家就認為，這一地區具有特殊的地質結構 。在這一地區天文學家發現了大量的“鈦鐵礦石”，將這些礦石加熱或通電，就可以從中分離出氧氣 。分離出來的氧氣可以用來呼吸或者制造火箭燃料 。有關科學家聲稱，如果這一造氧科技可行，那么月球上的造氧工廠將會非常龐大 。它包含一個專門挖掘月球泥土的采礦廠 ， 這些月球泥土將被送進一個巨大的“月球造氧機器”，該機器中進入的是泥土，吐出的將是氧氣 。從月球上挖土將會比地球上更輕松，因為月球的重力比地球小得多 。