石墨烯科幻小說

Ⅰ 如今非常火的石墨烯，究竟是科技還是科幻

石墨烯作為一種新型的材料，絕對不是所謂的科幻。它存在巨大的使用場景和空間，只不過以現在生存水平和了解，可能還需要一段時間的研發和普及。

未來，對於石墨烯的用途會非常廣泛，比如航天領域已經開始規劃石墨烯材料做燃料罐了、石墨烯做的太空服也會非常科幻。

但是石墨烯距離真正的實際應用還有非常遠的一段路。石墨烯的生產問題是其中最大的難題。其實石墨烯本身並不難生產，自然界有的是，我們現在有很多辦法提取出石墨烯來，在淘寶上蠢襲，你一百多塊錢就能買一斤石墨烯。但是這樣的石墨烯買了也不能做上面說的那些事。你能買到的只是石墨烯粉末，真正的石墨烯薄膜是很貴的。就像鑽石一樣，越大的鑽石越值錢，蠟燭燃燒產生的煙里就有大量的微型鑽石，你從來都不會覺得蠟燭燃燒產生的煙會很貴。同樣的，石墨烯粉末價格並不高，但要是做成很大面積的石墨烯薄膜，那就價值不菲了。

但是我國現在正在大力扶持和發展石墨烯的研發和相關產業，相信在現在的科技純檔鋒水平下，距離石墨烯的應用也只是指日可到。

Ⅱ 揚起光帆！人類探測器瞄準下一個目標：半人馬座比鄰星

每年一度的「百年星艦研討會（100-Year Starship Symposium）」總能吸引一大票人參加——其中既有貨真價實的科學家和研究人員，也不乏誇誇其談的空想家和業余愛好者。大家湊在一起興致勃勃地討論如何在100年內建造一艘星際飛船，實現人類航天器飛出太陽系， 探索 另一顆恆星的夢想。

為什麼達成這一目標的時間要定在100年內？原因很簡單——英國著名科幻小說家赫伯特·喬治·威爾斯的著作《登月第一人》於1901年出版，阿波羅11號飛船1969年成功登月，相隔還不到100年。隨著航天喊穗 科技 的加速發展，人類沒有理由不對未來報以更高的期望。

可惜每次大會的喧囂落定之後，似乎並沒有留下什麼讓人印象深刻的東西。與會者提出的方案要麼天馬行空，不著邊際，要麼模糊其詞，閉棚滲銀口不談技術細節——這其實很好理解，畢竟人類速度最快的航天器「旅行者一號」經過 42年 的長途旅行，才飛到 271億公里 之外。光跨越這段距離僅需 20個小時 ，而太陽系邊緣的奧爾特雲有 1光年 遠，距離太陽最近的一顆恆星——半人馬座比鄰星離我們 4.2光年 ，以旅行者一號的「龜速」到達那裡至少要花 16,700年 。

2015年的「百年星際飛船研討會」在美國加州聖克拉拉舉行。來自加州大學聖巴巴拉分校的宇宙學家 菲利普·魯賓 （Philip Lubin）提出一個頗為大膽的計劃——用有史以來最強大的激光器做動力，將只有一枚郵票大小的「納米帆船」加速到光速的20%，這樣只需20年就能飛到比鄰星！

滿面胡須的魯賓是一位優秀的演說家，他描繪的宏偉藍圖很快吸引了眾人的目光。更重要的是，魯賓的設想 沒有任何違背科學原理之處 ，雖然在工程學方面還面臨重大挑戰，許多技術細節還需要驗證，但假以時日未嘗不能實現。

「突破攝星」計劃的原理非常簡單—鏈宴—建造一個由大量高強度激光器組成的陣列，通過鎖相（phase lock）裝置匯聚為功率高達 100千兆瓦 的單波束。將激光束引導至等候在地球軌道上的重量不到 一克 的納米飛船光帆上，利用光子產生的壓力使飛船加速。短短幾分鍾之內飛船速度可達到每小時 1.6億 公里，在 20年 之內就能抵達比鄰星，再用搭載的感測器拍下比鄰星附近行星的照片並傳回地球。

光帆技術不僅可以幫助人類親眼目睹系外行星的真容，還能大大縮小太陽系旅行的時空距離。20%光速的納米飛船 一小時 之內就能到達火星，到冥王星僅需 一天 ，飛到星際空間只要 一周 就夠了。相比之下，NASA探測器飛抵火星需要 9個月 ，新地平線號飛掠冥王星花了 9年 ，1977年升空的旅行者1號用了 15年 才突破日球層。即使宇宙飛船速度只提升到光速的2%，相比現在也是巨大的進步。

作為「突破攝星計劃」的智囊團成員之一，菲利普·魯賓教授今年66歲，步伐輕快，頭發烏黑，外表看上去比實際年齡要年輕許多。

即便如此，年輕時的魯賓也沒想過自己會走上學術之路。他的父親來自立陶宛，職業是一名郵遞員，連高中都沒有畢業，母親出生於俄羅斯，一輩子從事的都是秘書之類的工作。出身於這樣的移民家庭，考入常青藤名校似乎是難以想像的事情。但機緣巧合，魯賓在洛杉磯一名學校輔導員的鼓勵下報考了社區大學，並從那裡轉到加州大學伯克利分校，最終聽從教授的建議考入哈佛大學研究生院。回首求學之路，魯賓半開玩笑稱自己就像一個傻瓜。

今天的魯賓是一名宇宙學家，雖然本職工作是擺弄各種宇宙背景輻射測量設備，但學術興趣頗為廣泛。在一次防禦小行星技術會議上，眾人正興致勃勃地討論用激光摧毀威脅地球的近地天體，魯賓卻突發奇想，冒出激光推進飛船的念頭。

魯賓認為，人類空間推進技術的發展過於緩慢。今天在役的火箭大多數仍然靠液體燃料驅動，和二戰期間的德國V2火箭沒有本質區別。相比之下，現代計算機的運算速度比75年前提高了 數萬億 倍。NASA的SLS超重型火箭研發投入已經超過 120億 美元，至今仍未准備就緒。如果航天技術的進步幅度能和信息技術相媲美，類似的重型火箭成本可能早就降低到 幾分錢 。

要想製造價格如此低廉的宇宙飛船，傳統的化學動力驅動明顯力不從心，但恆星產生的光子卻可以提供我們源源不絕的動力。在太空中遨遊的航天器幾乎沒有任何阻力，只要 表面足夠光滑，撞擊它的光子就會產生微小的推力並使其加速 。如果用一束足夠強的激光持續照射一艘飛船的「光帆」，就能使飛行器像大海中乘風破浪的帆船一樣，速度在短時間內得到巨大提升，最終達到相對論速度——這就是「突破攝星」計劃的關鍵技術之一「 光帆推進技術 」的原理。

「突破攝星」計劃設想發射一艘「太空母艦」進入地球高空軌道，在那裡部署大量「納米飛船」。每個飛船由兩部分組成—— 大小幾厘米，重量僅幾克的星晶元 （StarChip），以及一個展開面積 4米X4米的光帆 （Lightsail）。部署在地面上的激光陣列將光束聚焦到光帆上，每面光帆接受的能量大約為 1萬億焦耳 ，飛船加速度可達 100千米/秒^2 。

地基激光陣列由單個功率 10千瓦 的激光器組成，覆蓋面積1平方公里，總輸出功率高達 100千兆瓦 。為了彌補長途星際旅行中與星際塵埃相撞導致的損失，這支「星際艦隊」將擁有 1000 艘微型飛船，它們的最終目標是4.2光年外的比鄰星。天文觀測顯示比鄰星附近有一顆和地球大小差不多的行星—— 比鄰星b 。按照科學家的設想，人類飛行器將飛到和比鄰星b相距1個天文單位（ 1.5億公里 ）的地方，在這個距離飛行器搭載的相機可以捕捉到系外行星表面的高解析度圖像。

菲利普·魯賓承認，「突破攝星」計劃面臨諸多難以克服的工程學障礙。比如目前還沒有足夠強大的 激光器 產生推進光帆的激光束；其次，工程師還有找到一種輕巧而堅韌的 光帆材料 ，既能反射熾熱的光束又不被其摧毀；另外，現有 航天器 還無法縮小到一枚郵票大小，重量也很難減輕到幾克。

目前，研究團隊正在探討如何將直徑10厘米的單個激光器構建成龐大的激光陣列，通過相位鎖定放大到足夠的強度並匯聚為單光束。和天基激光器相比， 地基激光陣列 成本更低，但也更容易受到大氣湍流干擾。這就需要航天器本身返回信號，引導激光束持續照射。

另一方面，光帆的概念幾十年之前就已提出，但直到2010年日本「伊卡洛斯」號才展開14平米太陽帆，成功實現靠太陽輻射遨遊太空的設想。相比之下，突破攝星微型飛船所承受的絕非溫和的「太陽風」，而是人類有史以來最強大激光器製造的「光束風暴」。

為了使十幾平米的光帆重量 小於1克 ，其厚度大概相當於 幾百個原子 排列在一起。有「新材料之王」美譽的 石墨烯 足夠緻密，力學性能也非常突出，但這種材料不具有反射性，表面必須敷以塗層。 金屬材料 的反射性夠強，但重量又不滿足要求。考慮到光帆的材質最好兼具透明度和反射性，因此 玻璃 無疑是最好的選擇，但其結構和性能還有待優化。

第三個挑戰是建造 「晶圓級」航天器 。人類目前製造的繞地球運行的最小航天器是 10厘米 見方，約 1公斤重 的納米衛星。研究團隊希望將航天器進一步小型化，把攝像頭、處理器、鈈238核電池、通信激光器等元件集成到一枚 微晶元 上。除此之外，星晶元飛船還必須能夠抵禦加速沖擊力和極端寒冷的太空環境。研究人員雖然已經成功製造出火柴盒大小的航天器原型，但重量有 100克 ，遠遠無法滿足「突破攝星」計劃的要求。

和其他星際項目相比，「突破攝星」計劃並不需要物理學理論有重大突破或出現顛覆性創新技術。上述問題即使只解決一部分，對人類 科技 進步來說都具有革命性意義。比如晶圓級飛船對微電子和通信等領域前沿技術的巨大推動作用；低成本高效率的激光陣列未來可能用於清除太空垃圾；光帆技術的進步將使人造航天器 探索 太陽系的往返時間從幾年縮短至幾天甚至幾小時。

那麼揚起光帆的人類飛船什麼時候能夠拜訪半人馬座比鄰星呢？一個目標是2061年，即尤里·加加林進入太空100周年之際，但魯賓幾乎肯定無法看到這一天。對於他來說，解決技術問題的每一步不但為人類開辟前往另一顆星星的道路，還將我們對未知世界的 探索 一次次推向前沿。 與其坐等未來，不如主動去創造未來。 也許，這才是「突破攝星」計劃的真正意義所在。

Ⅲ 三體比狂飆出來早嗎

早的多。
《三體》是劉慈欣創作的系列長篇科幻小說，包括《三體》、《三體Ⅱ·黑暗森林》、《三體Ⅲ·死神永生》，第一部於2006年5月起橡滑在《科幻顫寬世界》雜志上連載，第二部於2008年5月梁洞臘首次出版，第三部則於2010年11月出版。

Ⅳ 太空電梯是哪個小說

《三體》中的太空電梯，有可能成為現實嗎？

中科院物理所
回答於 2023-01-21

《流浪地球2》中出現了太空電梯的身影
導讀：
劉慈欣的長篇科幻小說《三體》的動畫片版已於去年年底在B站上映，電影《流浪地球2》將在今年春節的1月22日開始在全國各大影院閃亮登場。它們有一個共同特點，就是裡面都有太空電梯的場景。太空電梯只是科幻嗎？會有真正實現的那一天嗎？
撰文 ｜ 龐之浩

國外科幻片中的太空電梯
記得小時候看過一本18世紀德國著名的兒童文學作品，書名為《吹牛大王歷險記》。書中的主人公為了到月亮上撿回他扔上去的銀斧，就在地上種了一粒土耳其豌豆，豌豆雀姿伏苗生長很快，不久就長到天上去了。他順著豆藤向上爬，僅一個多小時，就成功爬上了月亮。於是，這根能通向月亮的豆藤就永遠刻印在了我的心裡。幻想總是那麼美麗。不過，這美麗冊滲的幻想，或許真的能照進現實。
很久以來，人類就夢想通過建造太空電梯上天，並一直不斷努力。有研究表明，這個夢想將在本世紀實現。2021年11月，國際太空電梯聯盟主席斯旺表示，未來太空電梯作為永久性物流基礎設施，可將物資和人員運到太空，成為進入太空的新通道。

太空電梯示意圖
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科幻將變現實？
用一根粗大的吊索，一端固定在位於地球赤道上的平台上，另一端緊緊抓住距地面約3.6萬千米、在地球靜止軌道上運行的航天器，就可使一個形似電梯的吊箱載著頃攜貨物、人員沿吊索駛向太空……這就是一些國家研究人員正在嘗試設計的太空電梯。
現在，進入太空的主要工具是運載火箭，即通過消耗大量燃料來擺脫地球引力。運載火箭所攜帶的燃料要佔到火箭總重量的90％以上，每運送1千克有效載荷上天平均需耗資至少1萬美元。
雖然太空電梯造價昂貴，但不需要動用大量燃料，因此建成之後的運行費用比運載火箭低兩個量級，且可像高速公路一樣24小時運轉，將航天器、物資和包括旅遊者在內的人員帶到太空去。英國一項測算顯示，用太空電梯運送1個人和貨物的費用相當於用太空梭運費的0.25％。國際宇航科學院秘書長讓·米歇爾·康坦表示，利用太空電梯運輸，每千克物資運輸成本約為500美元，比使用火箭每千克至少要花1萬美元更便宜的多。
太空電梯的概念最早由俄國科學家、航天學之父齊奧爾科夫斯基在20世紀初提出，他曾建議利用一個太空繩索系統，在空間站之上形成人造地心引力。此後，俄國早期太空預言家塔斯安德爾也提出在地球與月球之間搭建一條繩索連接的太空電梯，他認為地心引力能夠讓繩索伸展開來，使其成為用於運送負荷的空中索道。1965年，蘇聯航天技術總負責人科羅廖夫組織中央機器製造設計局開始為第一個太空繩索設備做准備，打算用一條鋼纜將聯盟號宇宙飛船與運載火箭的末級進行連接。不幸的是，這一工程在科羅廖夫去世後就被中止。1979年，著名科幻大師克拉克在其小說《天堂噴泉》再次提出太空電梯的概念，並引起了廣泛注意，因為它具有理論基礎和科學依據，但存在一系列非常復雜的工程學問題，最大的挑戰在於沒有人能造出數萬千米長的超強纜繩。

用氣球試驗太空電梯繩索
後來，在2003年9月15日在美國聖達菲召開的研討會上，俄羅斯和美國等國家的70多位科學家和工程師對太空電梯進行了討論，最終一致認為它將在21世紀內變成現實。這個曾被視為科學幻想的革命性工程近些年有了較大進展，並有多種方案。

美國電梯港集團公司的太空電梯廣告
其中，美國電梯港集團公司正在研製的太空電梯可以一次運送30名乘客，在6個小時內抵達10萬千米外的太空。一旦建成，目前地球上運程最長、達800多米的迪拜塔電梯無疑將被遠遠甩入塵埃。
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基本原理簡單
2018年9月25日，日本用貨運飛船把一對用於世界首次太空電梯試驗的立方體衛星送往「國際空間站」。接著又從「國際空間站」釋放了這對邊長為10厘米的立方體衛星，它們之間用長約10米的纜索連接；然後嘗試把一個像電梯吊箱的容器通過電動機轉動的纜索從一端移動到另一端。
這是人類首次在太空中移動纜索上的容器，也邁出了人類實現太空電梯的一步。
太空電梯的原理並不復雜，基本上就是用一條長長的纜繩一端固定在地球上，另一端固定在地球同步軌道的平衡物(如大型衛星或空間站)上。在引力和向心加速度的相互作用下，纜繩綳緊，太空電梯將利用太陽能或激光能沿纜繩上下運動。
具體說就是用一根粗大的吊索，一端固定在位於地球赤道的平台上，另一端緊緊抓住在地球靜止軌道運行的航天器上，這樣就可使一個形似電梯的吊箱載著貨物沿吊索駛向太空。
太空電梯由四大件組成：基座、纜索、電梯艙和動力系統。
基座是太空電梯在地面上的基礎結構。基座必須選在地球赤道地區，可以建在陸上，如高山頂上或高塔尖上；也能建在海上，像一個巨大的港口，世界各地的旅客和物資通過海、陸、空交通運輸源源不斷地來到這里，然後乘坐或裝上太空電梯的電梯艙運往太空。
纜索是太空電梯的關鍵技術和設備。製造纜索的材料必須有很高的拉伸強度/質量比，可大規模生產，並且還要造價低廉。
電梯艙是乘坐人員和承載貨物的部位，功能跟傳統電梯一樣，但原理和結構不同。電梯艙雖然也是沿著纜索向上爬，但從天上垂下一根超長的繩子來將電梯艙吊上去是不太可能的，它要「自己想辦法」爬上去。最簡單的方法是在電梯艙上裝馬達，帶動夾著纜索的一組輪子轉動，從而取得向上的拉動力。馬達的電源可以從纜索上取得，也能用裝在電梯艙上的發電機，但這兩種都會增加電梯艙的重量。比較省重量的方法是在電梯艙上安裝調諧太陽電池板，然後從地面發射激光將電梯艙「射」上去。
其上升動力有多種方案，可採用太陽能、核能和電磁場等。但目前研究表明，採用激光和微波方式比較合適。

標準的太空電梯升降廂
聽起來很美，但如何構建它呢？
首先，要建造一個基座平台，這個平台要位於一個暴風雨、閃電和巨浪較少的海域,還要遠離飛機的航線和衛星的軌道。太空電梯必須能防雷擊，否則它將容易被斬斷。
接著，發射卷有纜索的航天器到太空，讓纜索的一端藉助重物墜回地面，最終與地球上的平台相連接，同時，另一端連接位於太空的航天器上展開。地球自轉時，太空電梯纜索就會產生向上的離心力，而地球的重力將纜索往下拉，這樣纜索就平衡了。
最終，將履帶軌道固定在纜索的兩端，並且依靠從地面發射的激光轉換成的電能作為動力加以推動。它將建造成為管狀形的通道，沿軌道來回運行時，可以將航天器、各種貨物和乘客帶入太空。他們可以乘座太空電梯沿管道升降。

運行在地球靜止軌道太空電梯的示意圖
現在，美國航空航天局和歐洲航天局等著名航天機構都參與到了太空電梯合作中，但令科學家們最頭疼的是研發資金短缺。美國航空航天局太空電梯首席科學家愛德華茲估計該項目至少要花費70～100億美元。

早期的太空電梯設想
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俄美積極攻關
俄羅斯和美國都在研製太空電梯。其基本思路是一樣的，不同的是俄羅斯的太空電梯首先考慮的是如何從太空往地球運回物資，而美國提出的太空電梯的重點是從地面向太空運送物資。
俄羅斯擬在月球表面建立永久性基地，然後用太空電梯將貨物運至月球基地或者運回地球。盡管這種太空電梯的運行速度非常緩慢，但卻可以大幅降低人類進行太空探測的費用。俄羅斯設計的太空電梯由人造衛星、宇宙飛船、有效載荷艙以及細長堅韌的特種索道組成。
歐洲航天局曾委託俄羅斯建造一部可以把太空物資直接從「國際空間站」運回地球的太空電梯。具體方案是：裝有貨物的太空艙從「國際空間站」通過一根大約400千米長的纜繩送回地球。雖然纜繩很長，但其重量不會超過6千克，是用特別材料製成的。進入大氣層後，纜繩會燃燒掉，之後，貨物依靠自帶的氣球繼續落向地球。但由於資金等原因,這一項目現已被擱置。

從海上通天的太空電梯
美國西雅圖高電梯系統公司的太空電梯項正在進行相關的技術研發。其核心部分是研製一條距離地球表面將近10萬千米長的纜繩。其靠近地球的一端將被固定在可能位於太平洋中部某個地方的基站，而另一端將連接到一個在太空中繞地球靜止軌道運行的物體上以充當平衡錘，它本身所具備的動力將能夠使纜繩綳緊，從而使飛行器等運載工具能夠上下穿梭。
在俄美設計的太空電梯中，太空電梯的吊索是一條可兩面使用的軌道，其周圍包裹著管道，電梯可藉助磁懸浮技術在管道內沿吊索的兩面上下對開。
由於太空電梯的纜繩要承受地心引力和離心力的雙重拉扯，所以目前建造太空電梯的最大障礙是纜索的建造，它需要用又強又輕的材料製成，並能夠經受住大氣層內外向它襲來的任何物體的撞擊。為此，太空電梯的概念提出後的很長一段時間里，它被認為是不可能實現的，因為不管用多麼堅固的材料製造纜索，都承受不了太空電梯的重量而發生斷裂。

日本太空電梯繩索試驗設備
1990年，美國科學家想到了使用像鑽石一樣強韌但又高彈的納米碳管。其初步設想是：支撐太空電梯的纜繩是一束由10億條、 長達10萬千米的納米碳管製成，每條納米碳管含有7.2×1017個碳原子。
從理論上講，1米寬、如紙般薄的納米管織物便足以負載太空電梯了。科學家認為，用碳納米管製成纜索可以從近地衛星（甚至月球）懸掛到地面，不會因自重而斷裂，可以用來為太空太陽能電站向地面輸電，或製作太空電梯。
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日本雄心勃勃
1991年，日本科學家發現了質量輕、強度高的碳納米管，此後太空電梯這一概念又有可能變為現實，因為碳納米管的強度是鋼材的幾十到近百倍。
日本計劃從距離地球赤道地面36000千米的地球靜止軌道衛星上垂下一條納米材質的電纜，利用這條電纜，再安裝升降電梯，便可以製成太空電梯了。

日本研製的碳納米管
目前，日本在碳納米管的開發方面已取得一定進展。上文提到的日本科學家在1991年發現的碳納米管，就是日本名古屋名城大學的飯島澄男用通電的碳煤煙研製出來的，這是一種名為巴基球的特殊原子結構。在研究過程中，飯島澄男發現，各種材料當它的尺度達到納米級時，它的物理特性如電、磁、熱、強度等都會發生很大的變化。碳納米管是石墨中一層或若干層碳原子捲曲而成的籠狀「纖維」，直徑只有幾到幾十納米，內部是空的。這樣的材料很輕，但很結實，密度是鋼的1/6，強度卻是鋼的近百倍。也就是說，一根像縫衣線大小的碳納米管就能承受一輛汽車的重力。
日本大林建設公司計劃在2050建成的太空電梯，該太空電梯由6個長18米，直徑7.2米的橢圓柱形電梯間組成，時速約200千米，每次可運送旅客30位。該項目拉動電梯的纜索就將採用比鋼堅固20多倍的碳納米管材料。電梯纜線固定在地表一個定點上，然後利用地球自轉的離心力拋出去，另一頭系著一個起平衡作用的鉛墜。太空電梯電纜的中間部位是一個空間站，站內將建設實驗設施及居住的空間。

日本設想的太空電梯
其實，為了取得平衡，避免在地球靜止軌道上的空間站因太空電梯太重被拉回地面，保持整體結構的穩定性，在空間站的上面還要裝另外一條纜索懸浮在太空中以起平衡作用，從而緩解太空電梯承受的地球引力，即空間站位於電梯纜索的中間部位，站內將建設實驗設施及居住的空間。這樣，纜索的總長度將達到9.6萬千米。
機廂在向太空爬升過程中的動力問題是巨大的挑戰。日本擬採用新干線列車技術來解決太空電梯進入太空的動力問題。日本太空升降艙協會有關負責人甚至不無樂觀地說，希望未來就像出國旅行一樣，人人都可以坐著太空電梯上太空。預計，日本的太空電梯工程總建設費用至少達到1萬億日元。

學生設計的太空電梯概念圖
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月球太空電梯
美國科學家皮爾遜曾制定過一個月球太空電梯方案:在運行於月球同步軌道上的衛星和月球表面間建立一個「升降機」，「升降機」由人造復合纖維纜繩拴住，衛星則好像飛翔在太空中的風箏。皮爾遜認為這一設想在理論上是可行的，因為月球引力只有地球的1/6，依靠目前科技水平製造的合成纖維纜繩已經足夠滿足承擔運輸工作的強度要求。與此同時，在月球周圍也不存在廢棄的火箭推進器、衛星以及其它太空垃圾所帶來的危險，又使這一計劃免除一項後顧之憂。

在這張從太空俯瞰地球的構想圖上，人類可以乘坐太陽能（或電磁）交通工具沿著太空電梯出入天庭。
他描述了一幅美妙的月球太空電梯圖畫：滿載物資和補給的纜車順著微微彎曲的月球太空電梯纜繩從天際中垂直落下，降落在月球的某一地點，地球探險者可以輕松到達月球表面任何角落，尋找地下的固態水。
也許有人會覺得皮爾遜的想法過於瘋狂，但美國航空航天局的先進概念研究所卻不這么認為。這家獨立機構在2004年就資助皮爾遜7.5萬美元用於設計其月球太空電梯。

乘太空電梯登天
2014年，由美國航空航天局前工程師邁克爾•萊恩創辦的電梯港集團公司宣稱，由於在月球上建太空電梯比在地球上建更容易，所以該公司可用現有技術在月球上建造一座太空電梯，並表示這一想法能在較快成為現實。其具體設想是：從月球上空5萬千米處垂向月球表面的月球太空電梯，因為月球的引力小，並且月球上基本沒有空氣，所以可以大大降低對纜繩強度的要求，只需使用一種名叫柴隆（Zylon）的高強度、高耐熱性復合纖維，就能實現打造月球太空電梯的夢想。
從理論上講，製造月球太空電梯的材料會比製造地球太空電梯要輕許多，其纜繩的一端固定在月球表面某個面朝地球的地點。不過，月球太空電梯較小，只能運輸200～250千克的貨物。如果用它來採集和運輸月球礦石標本，則完全足夠，這也將使月球采礦和運回地球的成本大大降低。

太空電梯方案之一
建成後的月球太空電梯還可以與地球太空電梯連成一體，將來有一天，人類只需經過幾次換乘，就可以乘坐太空電梯從地球抵達月球了。
近年，又有一種新的太空電梯方案問世——可充氣太空電梯。根據設計和建造方案，該太空電梯將高約20千米。未來，航天員和運載火箭可先搭乘可充氣太空電梯進入位於平流層的電梯頂端發射平台，然後再點火起飛進入太空。它相當於運載器的第一級平台，而且航天器還可以返回塔頂平台加油再重新起飛。這一技術有望為傳統火箭節約30%以上的燃料。
長期以來，工程師們一直認為太空電梯研製難度太大，因為沒有任何物質能夠支撐自己達到太空的高度。然而這種最新解決方案繞開了這個問題。根據設計方案，只需將太空電梯建造到高達20千米的平流層。太空電梯建造到平流層總比直達地球靜止軌道高度要容易、可行得多。
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工程困難重重
目前，研製太空電梯最大的挑戰是能否以低成本、大規模生產出碳納米管纖維材料，因為這種材料現在還只是毫米級製品，距實用差距甚遠。從理論上說，如果用碳納米管纖維材料造出直徑1毫米的碳納米繩，該納米繩就可以承載60噸的重量。迄今為止，科學家仍然無法用碳納米管編織出長長的纜繩。此外，每克碳納米管就價值500美元，要製造出一條10萬千米長的碳納米纜繩就十分昂貴了。
另外，向太空發射各種電梯建設材料花費巨大，且如果太空電梯因嚴重事故崩塌，空中和地面的損失也將十分驚人。
還有，當太陽風向太空電梯施加壓力時，來自月球和太陽的重力作用將使繩索變得搖擺不定。這將有可能使太空電梯搖擺造成太空交通障礙，太空電梯也可能會碰撞上人造衛星或者太空垃圾殘骸，這樣的碰撞將導致繩索斷裂或太空電梯失事。為此，太空電梯必須在內部建造推進器，以穩定太空電梯致命的搖擺振動，但這又將增加了建造的難度和電梯建造和維護成本。也有關專家認為，地球磁場可以自然地削弱太空電梯的搖擺振動，用活動錨也可控制繩索搖擺。

太空電梯的基站可以建在海上。
再者，在地球外層、距離地面1000～20000千米的區域，分布著一條強度很高的輻射帶，而在穿越該區域的過程中，航天員們可能會受到致命的輻射。如果缺乏有效的防護措施，乘坐太空電梯的乘客將會受到高強度射線的照射。此前，對於從事高軌道航天飛行的航天員們來說，分布在地球外部的輻射層已構成嚴重的威脅。當年參加「阿波羅」計劃的航天員們曾穿越這一地區。由於當時飛船的速度很快，因此他們受到射線照射的時間很短，計量也不足以致命。然而，太空電梯的爬升速度卻要慢很多——不會超過200千米/小時。這就意味著，搭乘太空電梯的航天員必須在輻射區中呆上至少3天的時間。對此，雖然科學家們已提出了多種解決方案，但任何一種都存在著這樣或那樣的缺陷。
有一種解決方案是在太空電梯外部建造一個防護層。但這會是太空電梯變得異常笨重和復雜，難以克服地球引力的影響。

太空電梯會受到太空垃圾的襲擊
另一種解決方案是將起始平台設在遠離赤道的地區，這樣輻射帶的強度就不會太過強烈。但專家們認為，即使這樣，仍無法確保航天員不會受到致命劑量輻射的傷害。況且，如果太空電梯的起始點太靠近北緯45°地區，那麼地球旋轉所產生的離心力將會使固定太空電梯的纜繩偏向南方，同時，它還會受到各種惡劣天氣條件的影響。
還有科學家提出可在太空電梯周圍構建一層人造磁場。通過這種方式將可有效抵禦各種危險的射線。但此舉會嚴重削弱太空電梯的升力，導致向太空運送物資和人員的能量消耗大幅度增加。

科幻片中太空電梯基座
太空電梯還會面臨許多安全問題需要解決。例如，雷擊、流星、太空碎片、颶風、原子氧等，其中有的已經有對策了。例如，有兩種辦法可使太空電梯免遭雷擊：其一是將太空電梯的基座選在地球上的無雷區，因為地球上有些地區常年無雷；其二是將太空電梯的基座建在6000米高的山頂上，因為在此高度一般很少發生閃電。對付太空碎片的辦法是：對太空垃圾進行密切的跟蹤和監視；採用移動基站，使纜索避開太空垃圾的撞擊；在500～1700千米這一段增加纜索的厚度。對付颶風的辦法是將基座建在沒有颶風的區域，或者增加纜索的強度。
另外，由於建造太空電梯所用的碳納米繩技術過難，成本過高，所以地球太空電梯至今仍停留在美好的藍圖階段，但月球太空電梯有可能先問世。如果地球太空電梯取得突破性進展，人類就將走進大眾太空旅遊的新時代。
SAIXIANSHENG
結語
目前，碳納米管和超強石墨烯被認為是建造太空電梯纜繩的理想材料；在設計方面，科學家目前已提出8個比較穩健、合理的科學設計方案；在工程方面，一些國家的科學家已開展一些小型實驗並准備深入驗證。我國清華大學魏飛教授團隊曾成功制備出世界上最長的、單根長度達半米以上的碳納米管，創造了新的世界紀錄。相關內容近日在線發表在國際著名期刊《美國化學會納米》上。

藝術家筆下通往天堂的太空電梯
國際太空電梯聯盟主席斯旺在2021年11月介紹：根據目前設計，太空電梯攀爬速度約為每小時200千米。未來，隨著纜繩加長、轎廂攀爬速度加快，預計8天可到達地球同步軌道，14天可到達月球，61天可到達火星。斯旺認為，未來人類建火星村、月球村需要發射大量物資到太空，星際旅行也備受期待，太空電梯非常具有商業競爭力。太空電梯用太陽能驅動，不像發射火箭那樣消耗大量化學燃料，而且太空電梯產生空間碎片的可能性很小，是一條綠色天路。
國際太空電梯聯盟副主席萊特稱，火箭發射不會因此被拋棄，因為火箭比太空電梯速度更快，能迅速穿越輻射帶，已經有人提出以「太空電梯+火箭」的方式運輸，實現互補。
根據目前的科技水平和發展速度看，有人預計太空電梯將在2050—2100年投入業務運營。
參考資料：

Ⅳ 《三體》里的水滴是絕對光滑的，那怎麼還能被機械爪抓住回收

萬有引力，可能是被引力所吸引過來的。首先，《三體》中直接說了，水滴的質量不大，在10噸以下，劉慈欣也直接說了不是用中子物質製造的。其次，它的分子結構非常嚴密，應該是一種晶體，即使在放大1000萬倍後，地球人還是沒有看到它的不光滑之處，且分子排列有序，沒有任何振動。放大1000萬倍，我們原則上可以看見一納米了，也就是說，幾乎能看見原子或分子了。

如果硬要確定水滴的設定成立，我們必須假設一種新型固體。這種固體也許存在，尚待人們去發現。我覺得，石墨烯就是類似水滴需要的材料，不過是二維的，不是三維的。石墨烯是由碳原子構成的二維的網狀結構，只有一個碳原子厚，如果放大，就會發現它的基本結構是蜂巢狀的。雖然只有一個碳原子厚，但一平方米大小的石墨烯可以承重一隻貓，也就是說，石墨烯非常結實。石墨烯的發現讓它的發現者獲得了2010年度諾貝爾物理學獎。也許，製造水滴的材料是一種三維的石墨烯，但還沒有任何物理學家敢於想像構成它的是什麼原子。雖然說絕對光滑，但可能機械爪裡面可能有固定這種物質的東西。

Ⅵ 目前減碳成了熱門話題，但可別誤讀，碳可是地球上生命的關鍵元素

目前「減碳」成了熱門話題， 碳好像成了一隻人人喊打的過街老鼠。 可是要搞清楚 ，這里所減的碳是指導致氣候變化的二氧化碳（CO2），千萬陸迅叢不昌渣要誤解為逢碳必減，因為碳對我們人類很重要，而且適量的二氧化碳也是我們人類必需的，要減的是過量的CO2。

碳是自然界最普遍的元素之一，是地球上能夠形成生命的最核心要素，沒有碳，就沒有生命。碳與我們日常生活息息相關。在人類的發展 歷史 上，碳不僅是食物的來源、能量的來源，更是材料的來源。

原英國石油（BP）公司首席執行官約翰.布朗勛爵寫了一本書，叫《七個改變了世界的元素》。這七個元素分別是鐵、碳、金、銀、鈾、鈦和硅。在布朗勛爵眼裡，碳如鋼鐵，是幫助人類建成了當今現代 社會 的「七大元素」之一，功不可沒。下面就來說說「七大元素」之一的碳。

碳是一種不可思議的元素。以一種方式排列碳原子，它們就會變成柔軟柔韌的石墨。換一種方式重新排列，你會得到金剛石，世界上最堅硬的材料之一。

碳也是地球上大多數生命的關鍵成分; 製造第一個紋身的顏料; 石墨烯是技術奇跡的基礎，這種材料比鋼鐵更堅固，比橡膠更柔韌。

碳以碳-12的形式在自然界存在，它幾乎構成了宇宙中99%的碳; 另外碳-13約佔1%; 還有碳-14，它只佔碳總量的很小一部分，但在測定有機物體的年代方面非常重要。

1）碳的基本信息

2）碳是如何形成的:從恆星到生命

碳是在恆星內部產生的，盡管它不是在大爆炸中產生的。根據Swinburne天體物理和超級計算中心的資料，它在恆星的內部通過一個被稱為三重alpha過程的反應形成。在這個過程中，三個氦核發生聚變。當一顆大質量恆星變成超新星時，碳會散射，並能被合並成下一代恆星和行星。

在燃燒了大部分氫的老星星中，剩餘的氦會聚集起來。每個氦原子核有兩個質子和兩個中子。在超過1億開爾文(179,999,540.6華氏度)的高溫下，氦核開始聚變，首先成對形成不穩定的4質子鈹核，最終，當足夠多的鈹核出現時，變成一個鈹和一個氦。最後的結果是: 原子中有6個質子和6個中子。

碳是一個模式製造者。它可以與自己連接，形成長而有彈性的鏈，稱為聚合物。由於它的電子排列，它還可以與多達四個其他原子結合。原子被排列成原子核，原子核被電子雲包圍，電子在離原子核不同距離的地方轟鳴（zinging）。根據加州大學戴維斯分校(University of California, Davis)資料，化學家將這些距離視為殼層，並通過每個殼層的內容來定義原子的屬性。碳有兩個電子層，第一個電子層有兩個電子，第二個電子層有八個可能的電子空間中的四個。當原子成鍵時，它們在最外層共用電子。碳的最外層有四個空的空間，使它能與其他四個原子結合(它還可以通過形成雙鍵和三鍵穩定地與更少的原子結合)。

碳是一種非金屬，它可以與自身和許多其他化學元素結合。據化學解釋網站，近1000萬種碳化合物已經被發現，科學家估計，碳是95%的已知碳化合物的基石。因為它比其他任何元素都能形成更多的化合物，所以被稱為「元素之王」。由於碳具有與許多其他元素結合的驚人能力，這是它對幾乎所有生命都至關重要的主要原因。

碳元素的發現已經湮沒在 歷史 長河中，這種元素在史前人類以木炭的形式被發現。根據世界煤炭協會(world coal Association)的數據，碳作為煤炭仍然是全球主要的燃料來源，提供了世界約37%的電力。煤炭也是鋼鐵生產的關鍵成分，而碳的另一種形式石墨是一種常見的工業潤滑劑。

碳-14是一種碳的放射性同位素，考古學家使用它來確定物體和遺骸的年代。碳-14自然存在於大氣中。根據愛荷華州立大學無損評估中心，植物在呼吸作用中吸收它，在呼吸作用中，它們將光合作用中產生的糖轉化為它們用來生長和維持其他過程的能量。動物通過吃植物或其他以植物為食的動物將碳-14吸收到體內。據亞利桑那大學，碳-14有5,730年的半衰期，這意味著在那之後，樣本中一半的碳-14會衰變。

因為有機體死後會停止吸收碳-14，所以科學家可以用碳-14的半衰期作為一種時鍾來測量有機體死後的時間。這種方法適用於曾經有生命的生物體，包括由木頭或其他植物材早櫻料製成的物體。

3）我們所知的碳

4）正在進行的碳研究

碳是一種長期研究的元素，但這並不意味著沒有更多的元素可以發現。事實上，與我們的史前祖先燃燒木炭元素相同的碳元素可能是下一代 科技 材料的關鍵。

1985年，德克薩斯州萊斯大學的Rick Smalley和Robert Curl及其同事發現了一種新的碳形式。根據美國化學學會的資料，通過用激光汽化石墨，科學家們創造了一種由純碳組成的神秘的新分子。這個分子原來是一個由60個碳原子組成的足球形狀的球體。研究小組將他們的發現命名為巴克敏斯特富勒烯，以一位設計了測地圓頂的建築師的名字命名。這種分子現在被更普遍地稱為「巴基球」。發現它的研究人員獲得了1996年的諾貝爾化學獎。

根據2009年發表在《化學信息與建模雜志》上的一項研究，人們發現巴克球可以抑制艾滋病毒的傳播; 醫學研究人員正致力於將葯物一個分子接一個分子地附著在巴基球上，以便將葯物直接輸送到體內的感染或腫瘤部位 ; 這包括哥倫比亞大學、賴斯大學和其他大學的研究。

2021年，中國燕山大學田永軍（Yongjun Tian）領導的研究人員發現，通過壓縮巴基球，他們可以製造出迄今為止所見過的最堅硬的非晶體材料，幾乎和鑽石一樣堅硬。

其他被稱為富勒烯的新型純碳分子也被發現，包括橢圓形的「巴克耶蛋」（buckyeggs)和具有驚人導電性能的碳納米管。碳化學的熱度仍然足以讓人獲得諾貝爾獎: 2010年，來自日本和美國的研究人員因研究出如何使用鈀原子將碳原子連接在一起而獲獎，據諾貝爾基金會(Nobel Foundation)稱，這是一種能夠製造大型復雜碳分子的方法。

科學家和工程師們正在利用這些碳納米材料來製造直接來自科幻小說的材料。《納米快報》2010年的一篇論文報道了一種柔性、導電紡織品的發明，這種紡織品浸入碳納米管「墨水」中，可用於儲存能量，或許為可穿戴電池、太陽能電池和其他電子產品鋪平了道路。這種墨水現在可以從化學供應公司買到。

然而，如今碳研究是最熱門的研究領域之一，可能涉及到「神奇材料」石墨烯。石墨烯是一層只有一個原子厚的碳。它是已知的最堅固的材料，同時仍具有超輕和柔韌性。而且它的導電性比銅好。科學家們仍在發現石墨烯的新特性。例如，2020年，研究人員在《自然物理學》雜志上報告稱，通過正確的方式堆疊石墨烯，他們可以使其具有磁性。

大規模生產石墨烯是一個挑戰，盡管研究人員在2014年4月報告稱，他們可以只使用廚房攪拌機就能大量生產。2020年，荷蘭代爾夫特理工大學的科學家開發了一個數學模型來指導大規模生產。如果科學家們能夠很容易地製造出大量石墨烯，這種材料將在 科技 領域發揮巨大的作用。想像一下，具有柔韌性、不易破碎、而且恰好又薄如紙的小玩意兒。事實上，碳從木炭和鑽石發展到現在已經有了很長的一段路。

5）碳納米管

碳納米管(CNT)是一種由碳原子構成的微小的吸管狀結構。這些管子在各種電子、磁性和機械技術中都非常有用。這些管子的直徑非常小，它們的測量單位是納米，一納米是一米的十億分之一，大約比人類頭發還細1萬倍。

碳納米管的強度至少是鋼的100倍，但重量只有鋼的六分之一，所以它們可以增加幾乎任何材料的強度，據理解納米網的報道，在導電性和導熱性方面比銅更好。

納米技術正被應用於將海水轉化為飲用水的研究。在一項新的研究中，勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(LLNL)的科學家們開發了一種碳納米管工藝，可以比傳統技術更有效地從海水中提取鹽。

例如，傳統的海水淡化工藝在高壓下泵入海水，使其通過反滲透膜。然後，這些膜排斥所有大顆粒，包括鹽，只允許干凈的水通過。然而，據LLNL說，這些海水淡化廠非常昂貴，只能處理一個縣水需求的大約10%。

在碳納米管研究中，科學家們模擬了生物膜的結構方式: 本質上是膜內部有孔的基質。他們使用的納米管特別小，比人的頭發還要細5萬倍以上。這些微小的納米管可以容納非常高的水通量，但又太窄了，一次只能有一個水分子通過。最重要的是，鹽離子太大了，無法穿過管子。

本文主要據Stephanie Pappas 「Carbon: Facts about an element that is a key ingredient for life on Earth」和Anne Marie Helmenstine「10 Facts About Carbon (Atomic Number 6 or C)」編譯。

Ⅶ 石墨烯是什麼，為何被稱為科學界的明星

石墨烯的神奇功能，大家一定都聽說過，但經過這些年的觀察，很多人發現自己好像被忽悠了，石墨烯似乎離我們依然很遙遠。你相信市場上的石墨烯產品嗎？到底石墨烯是一個科技噱頭，還是一匹真正的黑馬？我們從今天開始開拓一個石墨烯專題，後面陸續講解有關石墨烯的那些事。

在國家的政策指導下，國內大量企業圍繞石墨烯材料展開了創業和研發，一大批相關產品面世銷售。當然，這些產品里，有些是非常優秀的功能產品，給我們的生活帶來了便捷，也有一些是炒作石墨烯噱頭，沒有宣傳的那麼神奇，希望大家擦亮眼睛，避免上當。後面，我會陸續介紹一些真實的應用，也會對一些噱頭進行辟謠。