人類增強、生物醫(yī)學、星際探索、智能生活…把握現(xiàn)代科技變革與人類文明演進趨勢！
(資料圖片)
“哪一種黑科技/新材料，你感興趣和關(guān)注”。走心評論互動轉(zhuǎn)發(fā)，挑選一位粉絲送出圖書《未來黑科技通史》一本。
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劇版《三體》中，一個被稱為“納米飛刃”的武器引發(fā)了全國觀眾的討論熱潮。頭發(fā)百分之一粗細的納米材料制成一根根細線，在河中央拉成一張肉眼無法察覺的“無形之網(wǎng)”，將過往的敵船切成了碎片。
中科院物理所表示，“納米飛刃”要達到武器級的切割精度，面臨著材料損耗和長度缺陷等問題，但類似的技術(shù)也并非完全不可能實現(xiàn)。在《三體》中，一旦這樣的納米材料實現(xiàn)量產(chǎn)，人類將有能力建造太空電梯，從而大規(guī)模進入太空，建造防御系統(tǒng)，而這正是三體人計劃率先撲滅人類的納米技術(shù)的原因。
《流浪地球2》中給觀眾帶來極大視覺沖擊力的太空電梯，其關(guān)鍵材料，其實就是當今科學界功能性最強的新材料之一——石墨烯。太空電梯的概念最早提出時，如何建造擁有足夠長度和強度的纜繩，以連接地表和3.6萬公里上空的地球同步軌道，并能夠承載巨大的電梯，曾是一個難以跨越的技術(shù)難題。進入21世紀后，隨著石墨烯這一超強韌、超輕、超傳導性的材料的興起，由石墨烯制成的碳納米管成了制作太空電梯纜繩的“最佳潛在人選”。
石墨烯的潛力如此巨大，難怪在當今的主流科幻作品中，經(jīng)常作為“幕后技術(shù)顧問”，為故事中一個個令人驚奇的科幻設定提供強大的“現(xiàn)實基礎”。正因為這一材料的誕生，納米飛刃、太空電梯、腦機接口等等看起來難以達成的科學壯舉在未來也有望實現(xiàn)。
在《未來黑科技通史》這部系統(tǒng)介紹石墨烯的前世今生的作品中，NASA眾多太空和星際推進項目的管理者、著名物理學家萊斯·約翰遜，和納米技術(shù)領(lǐng)域科學家約瑟夫·米尼，就從當今世界的各個前沿領(lǐng)域，為我們介紹了石墨烯能夠發(fā)揮的作用。他們不僅細致解讀了石墨烯在星際探索、生物醫(yī)學、人類增強等方面的具體運用，還從中剖析了現(xiàn)代科技變革與人類文明演進的趨勢。
接下來，我們?yōu)榇蠹覐摹段磥砗诳萍纪ㄊ贰分羞x取了有關(guān)“太空電梯”的精彩段落，讓我們一起走進科幻與現(xiàn)實的交界地帶，感受石墨烯的強大吧！
太空電梯與太空級3D打印機
摘自《未來黑科技通史》第9章：
“太空中的石墨烯”
讓我們暫且將太陽帆放到一邊，想象我們來到 2030 年并成功抵達半人馬座阿爾法星的場景（注：三體人的故鄉(xiāng)和《流浪地球》的目的地也在此處），這樣我們就可以談談石墨烯的另一項太空應用——制造太空電梯的主體結(jié)構(gòu)。對于還不熟悉太空電梯這個概念的人來說，這個物體可以簡單理解為能將我們帶入太空的電梯。有文字記錄以來，人類就夢想建造出能夠通往遙遠太空的設備，這讓人想到圣經(jīng)中巴別塔的故事?！秳?chuàng)世記》中講道：
他們說，來吧，我們要建造一座城和一座塔，塔頂通天。求你使我們得名聲，免得我們分散在全地球上。
傳說中的巴別塔
現(xiàn)代人類也曾建造出高到難以置信的建筑。截至本書付印時，全世界最高的建筑是 828 米的迪拜哈利法塔。（相比之下，美國的帝國大廈只有 443 米高。）但現(xiàn)在我們要想象一座高度超過 42 000 千米的建筑物或高塔，然后再想象這座建筑安裝了一部電梯，它可以由地面直接上升到頂部。理論上，我們可以用這部電梯將人、貨物或宇宙飛船直接送入太空。這套設施最具吸引力的地方在于，使用這部電梯完成往返旅程之后，我們只需支付實際產(chǎn)生的電費，無需支付火箭和火箭燃料的費用?？偟膩碚f，太空電梯成本低廉且簡單好用，嗯，當然也不會太簡單。
太空電梯的設計方案
在這個世界上，我們該如何（或者說我們怎么才能）建造太空電梯？這個設想有可能實現(xiàn)嗎？對于充滿未來感的太空電梯，科學家們提出了許多概念性的設計方案。他們中的多數(shù)人呼吁搭建一根纜繩，一端連接在地球表面的赤道附近，另一端與太空相連。這條纜繩可在拉力下保持垂直，就像溜溜球的繩子在頭頂旋轉(zhuǎn)時能夠保持拉力而不會變成柔軟的面條一樣。這都是離心力發(fā)揮的作用。下圖展現(xiàn)了這套設計方案。
太空電梯概念示意圖。從地球赤道向上建造一座太空電梯，可直達地球同步軌道
纜繩的近地端之所以能夠保持拉力，是因為地球具有較大的地心引力，而纜繩的另一端之所以能夠保持拉力，則是因為深入太空的纜繩頂端（處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，如同溜溜球，因為地球本身就在自轉(zhuǎn)）連接在小行星上，其產(chǎn)生的離心力同樣為纜繩施加了一個力。瞧！這樣我們就擁有了垂直的高塔，可以從地球表面直接延伸到太空。
建造出《流浪地球》中的太空電梯
現(xiàn)實嗎？
現(xiàn)在我們要切換到現(xiàn)實的角度來思考這個問題。我們從未建造過這種規(guī)模的建筑物，而分析表明，要想實現(xiàn)這一目標或者要想找到一種可行的建造方法，就要采用一種比現(xiàn)有任何材料更加結(jié)實、更加輕便的新型材料。這部電梯必須足夠強大，不僅能夠承受自身的重量，還要能夠承受纜繩頂端錨定的行星給電梯帶來的張力。
理想狀態(tài)下，這條纜繩應具有導電功能，所以電梯的主體結(jié)構(gòu)材料實際上可用作電力系統(tǒng)的一部分?？茖W家不必再單獨建造一條 22 000 英里長的電纜，并擔心它連自身重量都難以承受。基于上述這些要求，你是否已經(jīng)感覺到，好像我們聽起來很熟悉的某種東西會成為制造太空電梯的理想選擇？從理論上講，石墨烯或它的本族兄弟碳納米管是目前已知的、能夠?qū)崿F(xiàn)上述要求的唯一材料。
機敏的讀者可能已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，我在前一句話中打了個官腔——“從理論上講”。我認為石墨烯不夠現(xiàn)實嗎？為什么要說“從理論上講”呢？答案很簡單：在我們研究出如何制造一定長度（超長）的石墨烯鏈繩之前，眾多宏偉的應用仍將停留在“理論階段”。
要想真正著手設計或建造某物，抑或計劃這樣做，你就要確定，你在這個過程中所采用的材料具有實用價值，同時可以滿足設計要求。能否制造出數(shù)千千米長的石墨烯纜繩，目前尚無定論。為了切實感受這項任務的難度，你可以對比一下地球的周長。這個數(shù)值大致為 40 000 千米——約等于太空電梯的高度。
送入太空的物品，不會掉下來嗎？
關(guān)于如何利用太空電梯將物品送入太空，我們還要補充一條有趣而又重要的說明。任何物體，比如衛(wèi)星，要想環(huán)地球軌道運行，都必須以大約每小時 28 000 千米圍繞地球運轉(zhuǎn)。也就是說，這種物體必須擁有橫向的速度，而不僅僅是垂直的速度，才能進入軌道。這也意味著任何通過電梯送入太空的物體都幾乎必須直達頂部，才能環(huán)繞地球運行，不至落回地面。
任何物體在地球同步軌道以下的任何高度被丟出來，這種物體都將在地球重力的作用下重新落回地面。友情提示：千萬不要站在太空電梯旁邊，以免有東西砸到腦袋，不小心會死人的哦。
太空供應鏈：維修與儲藏
在第 4 章《正在崛起的神奇材料》中，我們介紹過采用石墨烯材料實現(xiàn)的增材制造和 3D 打印技術(shù)。NASA 認為增材制造是實現(xiàn)人類太空飛行的關(guān)鍵因素，因而正在大力投資這項技術(shù)。石墨烯材料的應用將為這項技術(shù)錦上添花。
增材制造已被 NASA 視為開展長期太空探索的必要技術(shù)，他們在國際空間站上對增材制造系統(tǒng)進行了太空失重環(huán)境下的操作測試。如今，當我們規(guī)劃載人航天任務時，需要將有效載荷中的很大比例預留給備用配件。
在前往火星執(zhí)行任務的過程中，宇宙飛船的往返需要 2 ～ 3 年，因此誰愿遇到某種重要部件損毀卻沒有備用配件可以替換的情況？從統(tǒng)計學上講，并不是每項重要部件都會出現(xiàn)損毀，但其中某一項出問題卻幾乎是不可避免的。對此，你打算如何應付呢？只能在旅途中為所有重要系統(tǒng)帶上備用部件。這也就意味著，除了發(fā)射任務團隊所需的各項功能性設備外，NASA 還需要發(fā)射一個配件儲藏庫，以便在航行過程中為維修提供幫助。這些航天部件大部分永遠都用不到，但卻仍需配備，“以防萬一”。
第一代太空級3D打印機已經(jīng)在國際空間站完成了飛行和相關(guān)測試，背景是微重力科學手套箱工程組（NASA）
然而，航天任務的成本和復雜程度均會因此顯著提升，這就是這種備用部件供應方式存在的問題。更多的備用部件意味著我們需要提供更多的存儲空間，最重要的是，重量也隨之變得更大。更大的重量自然需要額外的燃料，從而又使整個系統(tǒng)的重量進一步增加。目前每千克火箭的發(fā)射成本為 3 000 ～ 10 000 美元不等，可見攜帶所有這些備用部件以及用于儲存和發(fā)射它們所需的成本的確很高。
太空級3D打印機：
有了它，你就有了哆啦A夢的口袋
如果你不需要攜帶所有這些備用部件，而只需帶上一臺 3D 打印機、原材料，以及所有備用部件的制造方案，那又會是怎樣的一個前景呢？這樣一來，為儲存?zhèn)溆貌考A留的負載重量便可大幅削減，要送入太空的“物品”也相應減少，我們還將同時降低資金投入和不必要的復雜度。宇航員和航天任務的規(guī)劃者也將因此獲得更多靈活性。如果臨時需要某種完全超出預料的設備或部件，我們可以通過地球上的無線電將制造方案傳送至宇宙飛船，反正地面上的工程設計人才應有盡有。
對于科幻迷，尤其是看過《星際迷航》的人來說，這番場景聽起來仿佛似曾相識——是的，我們正處于研發(fā)“復制器”的初級階段。在探索太陽系甚至更加遙遠浩瀚的宇宙空間時，無論勇敢無畏的宇航員們需要什么物品，這臺復制器都能制造出來。那么石墨烯又在其中發(fā)揮了怎樣的作用呢？可以說，它的作用無處不在。基于我們介紹過的種種理由，從這種材料的強度、導電性能以及合理摻雜后形成的半導體性能，到尚待開發(fā)的如水過濾、發(fā)電和存儲等更多奇特性能，利用了石墨烯的 3D 打印機必將開啟無限可能性：
如利用大型的 3D 打印機，在月球或火星上建造出一片片居住聚居地。將當?shù)氐哪嗤粱蝻L化層與石墨烯結(jié)合后，我們可以讓這些居住聚居地的建筑變得更加牢固，使居住聚居地在兩大星球的惡劣環(huán)境中更具生存能力。
還可以利用打印出來的嵌入式傳感器，復制出星球的表面結(jié)構(gòu)，對聚居地的內(nèi)外環(huán)境進行監(jiān)控。
抑或就地制造關(guān)鍵性的生命維持系統(tǒng)，使其適應任意著陸點的獨特環(huán)境。這樣一來，科學家既不需要在地球上根據(jù)指定著陸點進行預先規(guī)劃，使得探索范圍受到極大限制，也不需要預先制造出足以適應任何環(huán)境的強大系統(tǒng)，在系統(tǒng)的質(zhì)量和復雜程度上投入過多精力。事實上，我們只要在任何需要的時候設計和制造自己所需的生命支持系統(tǒng)。
石墨烯：
徹底顛覆人類太空探索事業(yè)
最后，石墨烯強化傳感器還可用于制造空間應用所需的科研儀器。石墨烯的特性不僅對地面應用具有吸引力，同時也激發(fā)起航天科學界的高度關(guān)注。該領(lǐng)域的科學家們一直在積極尋找各種方法使航天儀器變得更小、更輕、更節(jié)能。
有一種傳感器被視為利用石墨烯優(yōu)異特性的典型范例，這種傳感器可用于測量近地軌道（LEO）上的氧原子濃度。氧原子通常為雙原子，也就是說它們成對地結(jié)合在一起，其化學式為 O2。地球上很少有單獨的氧原子，但在非真空狀態(tài)的近地軌道上，充足的能量可將成對的氧原子一分為二，形成單個氧原子。隨著時間的推移，這種原子會對太空中的材料造成嚴重破壞。實際上，許多材料都會因持續(xù)暴露在單個氧原子的環(huán)境下而遭到腐蝕，以致最終斷裂或徹底失效。
目前采用的氧原子傳感器并不很大，但 NASA 戈達德太空飛行中心（NASA Goddard Space Flight Center）的研究結(jié)果表明，新一代的石墨烯傳感器會更小，可直接嵌入航天器的整體架構(gòu)，用于探測氧原子和其他中性原子的濃度。這種傳感器經(jīng)過調(diào)整后，可用于執(zhí)行太陽系內(nèi)的各種任務，幫助科學家描繪出其他星球的不同環(huán)境，而其消耗的質(zhì)量和能量僅為當前傳感器消耗量的一小部分。
石墨烯有可能徹底顛覆人類的太空探索事業(yè)。那些雄心勃勃、有望改變世界的任務雖然目前看起來仍像是科幻小說中的場景，但都有可能因石墨烯而變?yōu)楝F(xiàn)實。
了解更多
內(nèi)容簡介：
美國航空航天局（NASA）杰出成就獎得主、納米技術(shù)領(lǐng)域硬核科學家聯(lián)袂合著。
作為“21世紀支柱性高新技術(shù)”之一的新材料技術(shù)正在徹底顛覆人類世界
本書將帶你了解“新材料”石墨烯的革命性意義，洞悉智造產(chǎn)業(yè)機遇與挑戰(zhàn)，把握現(xiàn)代科技變革與人類文明演進趨勢。
[美]萊斯·約翰遜 LES JOHNSON
三度榮獲美國國家航空航天局（NASA）杰出成就獎
石墨烯太陽帆太空推進關(guān)鍵技術(shù)專利權(quán)人
《美國國家地理》專訪“特色星際探索家”
“Discovery探索頻道”系列節(jié)目“不可能的物理”特邀嘉賓
美國國家太空協(xié)會、世界未來學會及門薩俱樂部成員
[美]約瑟夫·米尼 JOSEPH E. MEANY
美國田納西河谷星際工作室組委會成員
納米技術(shù)領(lǐng)域硬核科學家
《未來黑科技通史》
作者：【美】萊斯·約翰遜、約瑟夫·米尼
出品：中資海派
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