被誉为“航天之父”的俄国科学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基在1895年提出过一个设想,在地面上建设一座超高的铁塔,一直建到地球同步轨道为止,在铁塔内架设电梯,人们便可以搭着电梯进入外太空。这便是“太空电梯”的由来。
我们想要建造一座直达外太空的电梯,重要的就是需要提供绳索轨道。从地面向上建造?太不现实。那可以试着从太空中“扔”下绳索。也就是说,先发射一颗地球同步卫星,然后从卫星上伸出绳索“垂”到地面上,在地面一端固定,形成太空电梯的运行轨道。这下不用建塔,只需要“几根绳索”就行!于是,人们又遇到了异常棘手的问题:如何找到密度小,但抗拉强度大的材料?《流浪地球》原著作者刘慈欣在接受电视总台记者采访时说:“太空电梯大的障碍是它的材料,要把一根钢索从地球延伸到三万公里高空,目前我们强度高的材料就是碳纤维。”高性能碳纤维强度是普通钢材的10倍,具有极高的耐磨性和耐腐蚀性,可以有效抵抗外界环境的侵蚀作用,被广泛用于航天航空、交通、医疗及国防等领域,与国民经济发展和安全密切相关,尤其在航空航天和国防军工领域更是占有不可替代的地位。
2018年1月,“干喷湿纺千吨级高强/百吨级中模碳纤维产业化关键技术及应用”荣获2017年度科学技术进步一等奖,这也是我国碳纤维行业所获得的高奖项。该技术的完成单位是隶属于建材集团的中复神鹰碳纤维股份有限公司,此前,该公司系统掌握了T700级、T800级、M30级、M35级千吨级技术以及T1000级、M40级百吨级技术,在国内率先实现了干喷湿纺的关键技术突破和核心装备自主化,建成了国内条千吨级干喷湿纺碳纤维产业化生产线。2020年,中复神鹰万吨级碳纤维生产基地在青海投产。
建材集团董事长周育先在接受记者采访时曾表示:万吨级生产基地的投产,让我们在解决了T800、T1000级碳纤维“0到1”跨越的基础上,也解决了“1到100”的大规模量产。只有实现量产,才能保证性能稳定、性能一致,才能保证其在国防军工、航空航天领域的应用。从“国之重器”到新能源、基础设施建设,碳纤维材料的应用领域会得到进一步拓展。
其实,目前有可能满足“太空电梯”建设要求的是一种纳米材料——碳纳米管,也就是《三体》部主角所研究的“纳米飞刃”的原型。它是由碳原子组成的管状结构纳米材料,重量轻,六边形结构连接完美,具有许多异常的力学、电学和化学性能,是目前已知的理论上力学强度高和韧性好的材料。比如,它可以在纳米尺度下让沸水成冰,比如拥有99.8%的电热转化效率,或许会成为未来的“取暖神器”。比如,其硬度与金刚石相当,却拥有良好的柔韧性,可以拉伸。具有良好的力学性能,强度是钢的100倍,密度却只有钢的1/6。若将以其他工程材料为基体与碳纳米管制成复合材料, 可使复合材料表现出良好的强度、弹性、抗疲劳性及各向同性,给复合材料的性能带来极大改善。理论上可行,可一旦真的要考虑项目建设,就需要解决很多的实际问题。碳纳米管的耐久性还远远不够,技术也并不成熟。未来研究能否成功,就让时间来答案吧。
