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搭電梯上太空,再等一等!

2011/02/10 | |

Original publish date:Jun 11, 2006

編輯 JR 報導

義大利科學家認為,奈米碳管恐怕撐不住太空電梯。

太空電梯(space elevator)是構想中往來地球與太空的一種交通工具。電梯攀附在全長大約10萬公里的強韌纜繩上,纜繩其中一端連接在地表基地站,另一端縛上平衡物,若能使整體的質量中心保持在地球的同步衛星軌道,這樣,電梯就能順著筆直的纜繩升降運送物資。而建造太空電梯的首要問題就是纜繩,不僅要強韌還要質輕。

自從奈米碳管問世後,立即成為纜繩的最佳選擇:若用最小的碳密度(1.3g/cm3)來計算,並以寬約1公尺,厚如薄紙的形態做為電梯纜繩,則需要有63GPa的應力強度。而根據張力實驗,用單一的奈米碳管,理想上可以承受平均100GPa的應力,高於電梯纜繩需求。不過壞消息是,科學家發現即使是目前品質最佳的奈米碳管,都免不了有缺陷-大約4微米會少一個碳原子。

義大利杜林理工學院(polytechnic of Turin)科學家Nicola Pugno 根據模式計算發現,存在的缺陷會造成纜繩強度下降至少70%,意思是纜繩實際強度可能會低於30GPa,無法支持太空電梯運作。Pugno的模式結果已有實驗支持:多數的奈米碳管纜繩,強度其實遠低於1GPa。這篇研究論文已張貼在arXiv【註】,並將刊登在7月號的物理期刊Condensed Matter上。

從百奈米級的奈米碳管組成10萬公里的纜繩,當中的原子缺陷將造成整體強度減弱,即使我們可以製造完美無缺的奈米碳管纜繩,仍無法避免營運時,纜繩因受到微隕石、軌道中的人造物體撞擊、甚至是高空氧原子的侵蝕損傷而降低強度。

向NASA提出太空電梯可行性計畫的Bradley Edwards認為:若將纜繩以更緊密的方式纏繞,將可藉由增加的摩擦力來提升纜繩強度。但是,達拉斯奈米科技學院科學家Ray Baughman反駁了這個說法,他的研究團隊以類似於Edwards構想的方式來纏繞纜繩,製造出的纜繩強度仍是低於1GPa。

現在不可行並不代表永遠行不了,搭電梯上太空,再等一等囉!

【註】Pugno et al., on the strength of the carbon nanotube-based space elevator cable: from nano- to mega-mechanics, arxive preprint server, http//xxx.lanl.gov/abs/cond-mat/0601668. (2006)

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