我们人类是希望探索
宇宙,但“低效率”的火箭技术已经禁锢了人类探索外层空间的步伐,一般来说,我们需要将一定质量的物体送入太空,往往需要消耗物体质量数十倍的燃料。这就是为什么人们想出了太空电梯的主意。简单地说,我们可以在地球表面建造一个电梯,直接进入太空,这样我们就可以用很少的能源消耗来摆脱地球引力的束缚,人类可以很容易地进入太空,从而开启太空探索的新时代。太空电梯应该如何建造?
想象一下,你手里拿着一根普通的吸管。如果你把吸管的一端举起来固定在桌子上,然后用手把另一端往下按(轴向力),你会发现不费多大力气就可以把吸管弯曲变形。(注:这种现象称为“失稳”,是指长直杆在轴向力达到或超过“临界失稳压力”时发生变形,无法保持平衡。在其他条件相同的情况下,“临界失稳压力”与拉长的直杆长度的平方成反比,即拉长的直杆长度增加一倍,其“临界失稳压力”变为原来的1 / 4。
但是,如果你用力拉吸管,你会发现,即使你使劲拉,也很难让它明显变形。因此,如果我们真的要建造太空电梯,最好的办法就是把它做成一个来自太空的“吊梯”,只承受拉力,不承受压力,这样就避免了“不稳定”的巨大问题。
1991年,科学家发现了一种奇怪的碳结构,称为碳纳米管。这种结构可以被认为是一维纳米材料,碳原子以近乎完美的六边形结构缝合在一起,这使得CNTS具有极强的拉伸性能,其理论拉伸强度可高达300GPa。重要的是,碳纳米管的密度也很低。即使是多壁碳纳米管,其密度也约为每立方米2.1 x 10^3千克。代入上面的公式可以看出,如果太空电梯缆索是用这种材料制成的,那么它所需要的拉伸强度就是101.85GPa以上。这远远低于碳纳米管的理论抗拉强度。
不幸的是,尽管碳纳米管可以帮助解决建造太空电梯的最大问题之一,但它们仍然是实验室产品。迄今为止最长的碳纳米管只有0.5米。总的来说,要让碳纳米管的长度达到35786公里,我们还有很长的路要走。即使按照乐观的估计,要在本世纪50年代建造第一个太空电梯也需要30年的时间。