科技有狠活｜想搭乘《流浪地球2》太空电梯？别急，先用超长碳纳米管“搓”缆绳封面新闻记者谭羽清边雪部分

封面新闻采访人员谭羽清边雪部分图片由被访者提供
人类对太空电梯的构想，最早可追溯到两个世纪前。 1895年，俄国科学家、航天之父齐奥尔科夫斯基参观埃菲尔铁塔时迸发出对太空电梯的原始构想：能不能在赤道上建造一座直通太空的塔，像圣经里的巴别塔一样，这样一来人们乘坐升降梯就可以到达太空。 2018年9月25日，日本在国际空间站上完成了人类首次在太空中移动缆绳上的容器，为实现太空电梯迈出了重要一步。
【科技有狠活｜想搭乘《流浪地球2》太空电梯？别急，先用超长碳纳米管“搓”缆绳】近期上映的《流浪地球2》中，出现的太空电梯再次唤起了公众对“天梯”的关注。

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《流浪地球2》中太空电梯（图片源自网络）
将来现实世界中真的能搭造这样一座通天电梯吗？相关技术进展到了哪一步？对此，封面新闻对话了全国空间探测技术首席科学传播专家，卫星应用产业协会首席专家庞之浩，清华大学化工系副教授张如范。
想搭“天梯”？那得先造出它的缆绳
“太空电梯的原理并不复杂，说到底就是将一条长长的缆绳一端固定在地球上，另一端固定在地球静止轨道的平衡物(如大型空间站)上。在引力和离心加速度的相互作用下，缆绳绷紧，太空电梯便可利用太阳能或激光能转变成的电能沿缆绳上下运动。 ”

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设想中的太空电梯
庞之浩在接受封面新闻采访人员采访时指出，缆绳是太空电梯的关键技术和设备。
“由于太空电梯的缆绳要承受地心引力和离心力的双重拉扯，所以目前建造太空电梯的最大障碍是缆索的建造，它需要用又强又轻的材料制成，并能够经受住大气层内外向它袭来的任何物体的撞击。 ”
根据美国国家航空航天局（NASA）提出的标准，制备“天梯”所需要的材料单位质量上的强度（即比强度）至少要达到7.5GPa（g/cm3）。
为此，太空电梯概念提出后的很长一段时间里，它被认为是不可能实现的，因为不管用多么坚固的材料制造缆索，都承受不了太空电梯两端产生的巨大拉力而发生断裂， “如果用很粗钢缆当缆绳会因缆绳自身重量太重而掉下来。 ”庞之浩说道。
碳纤维是一种已广为人知的高强度材料。目前最好的碳纤维，如碳纤维T1100 ，单位质量上的抗拉强度约为3.5Gpa（g/cm3），也远低于NASA所提出的指标7.5GPa（g/cm3）。
碳纳米管：“天梯”缆绳的一线曙光
幸运的是， 1991年碳纳米管的发现，给人类百年的天梯梦想带来了一线曙光。
据张如范介绍，碳纳米管理论上的抗拉强度超过100GPa,其单位质量上的比强度则超过了62.5GPa（g/cm3）。

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碳纳米管的结构
2018年，魏飞教授和张如范副教授团队利用超长碳纳米管制成的管束的抗拉强度达到80GPa ，单位质量上的比强度则达到50GPa（g/cm3），远远超过NASA所提出的标准，展示出利用超长碳纳米管制备出的超强纤维在建造天梯方面的巨大潜力和前景。

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碳纳米管管束示意图
“碳纳米管是目前人类已经发现的材料中，唯一有希望建造‘天梯’的材料，这种新型纳米材料是人类已知的力学强度最高的材料。 ”张如范说道。他表示，碳纳米管是由碳原子通过SP2杂化形成的碳-碳化学键（C-C）组成，通过SP2或SP3杂化形成的碳-碳键具有非常高的键能和强度。