太空电梯：科幻何时能成为现实？
魏飞
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在不少科幻作品里，我们都见过太空电梯的身影——不需要火箭，只要踏入电梯，就能直抵太空。
太空电梯的基本原理是这样的：将一根极长的缆绳，一端固定在赤道附近的地面，另一端连接位于地球同步轨道的空间站，并在更远处设置配重。地球自转时，缆绳所受的离心力与重力相互平衡而绷紧，电梯厢便能沿着缆绳往返于天地之间。
早在1895年，便有科学家提出了建造直通太空的“天梯”构想。这一设想已逾百年，似乎仍停留在想象阶段，原因何在？关键在于，我们尚未找到足够强韧的缆绳材料。
太空电梯缆绳必须同时承受巨大的重力和离心力作用，对材料的抗拉强度要求极高。是否存在既轻又强的“超级材料”呢？1991年，碳纳米管的发现，为太空电梯研究带来了一线曙光。
碳纳米管是由碳原子按六边形蜂窝状结构排列而成的中空管状材料，直径仅有几纳米到几十纳米。别看它身形纤细，其力学性能却极为优异：理论上，单壁碳纳米管的抗拉强度可超过100吉帕，是顶级钢材的数百倍；其杨氏模量（衡量材料刚性的指标）高达1太帕，极难被拉伸变形。更难得的是，其密度仅为钢的1/4左右，单位质量的强度极高。
为了让碳纳米管早日从实验室走向太空，中国科学家一直在不懈探索。清华大学化学工程系反应工程团队长期致力于碳纳米管材料的可控制备与应用研究，努力攻克这一材料难题。
首要挑战是突破长度极限。实际制备时，碳纳米管长度通常仅有几十微米，且内部存在大量结构缺陷，实际强度远低于理论值。2013年，研究团队通过提升催化剂活性，成功制备出单根长度超过半米的碳纳米管，为超长碳纳米管的规模化制备奠定了重要基础。
研究团队还探索如何组装成“超强”宏观纤维。单根碳纳米管再强，也无法直接用作缆绳，需要将千千万万根碳纳米管“拧”成一股宏观纤维。2018年，清华大学化工系与航天院团队在《自然·纳米技术》发表论文称，采用气流聚焦法，制备出厘米级超长碳纳米管管束，其拉伸强度达到80吉帕以上。
太空电梯缆绳需承受反复拉伸，必须“百折不挠”。2020年，研究团队在《科学》杂志发表论文，首次通过实验测试了单根碳纳米管的抗疲劳性能，发现碳纳米管可被连续拉伸上亿次而不发生断裂，卸载载荷后仍能保持初始的超高强度。
尽管碳纳米管研究取得了长足进展，但与真正建造太空电梯的目标仍有相当距离。
规模化制备是巨大挑战。实验室目前能制备的超长碳纳米管长度在半米至米级，而太空电梯缆绳需要达到数万公里；太空环境险峻，缆绳需要穿越地球大气层，经受风雨雷电，还要在太空中抵御高能宇宙射线和原子氧腐蚀。
除了缆绳，太空电梯还涉及基座建设、电梯厢动力系统等复杂工程问题。这些都需要跨学科协作来共同解决。
太空电梯虽仍停留在科幻电影之中，但碳纳米管的发现和研究进展，让这个设想具备了坚实的材料基础。从实验室到应用的道路漫长而艰辛，但科学探索的魅力正在于此——每一次突破都是对未知的叩问，每一步前进都在拓展人类能力的边界。或许在不远的将来，太空电梯将成为人类迈向星辰大海的真正天梯。
(作者为清华大学化学工程系教授，本报记者吴月整理)
《 人民日报 》( 2026年01月24日 06 版)
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