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180亿美元就可以生产足够的材料制造太空电梯，现代科学可以做到( 二 )


20世纪90年代 ， 随着碳纳米管的发展 ， 人们对太空电梯重新产生了兴趣 。 1999年6月 ， 美国宇航局某办公室说CNs可以使太空电梯成为可能 。 与碳纳米管一样 ， 石墨烯是碳的同素异形体 ， 由排列在六角形晶格结构中的单层原子组成 。 与CNs不同 ， 石墨烯是一种排列在薄片中的二维材料 。 美国某大学科学家们发现了这种材料 ， 并因“关于二维材料石墨烯的开创性实验”而获得2010年的诺贝尔物理学奖 。
这种材料具有令人难以置信的电性能 ， 但也具有令人难以置信的抗拉强度 。 单晶石墨烯片的抗拉强度约为钢的200倍 ， 高达130GPa ， 在NAICII太空电梯缆绳报告中规定的公差范围内 。 去年 ， 我看到有46位科学家联名向美国宇航局详细介绍了石墨烯的潜力 ， 之后美国宇航局会见了商业航天部门的代表 ， 讨论了相互协助的机会 。 在他们的演讲中展示了石墨烯生产是如何达到可以生产千米级连续石墨烯纤维的程度的 ， 其实石墨烯早就不是那么神秘的技术了 ， 美国某大学科学家研究开发了一种连续卷对卷技术 ， 可以以每分钟约2米（6.5英尺）的速度制造出大面积的石墨烯 。 此外 ， 美国一些商业公司最近也一直在批量制造晶石墨烯 ， 用的是CVD法 。
在韩国 ， 一家公司宣布 ， 他们可以以每分钟2米（6.56英尺）的速度和1公里（0.62英里）的长度制造多晶石墨烯片 。 这些公司都在生产用于电子产品的多晶石墨烯 ， 而不是抗拉强度最高的2D单晶 。 但正如科学家们解释的那样 ， 他们正朝着正确的方向前进：
“我们开始看到一些公司正在制造大面积片状石墨烯 。 虽然这种方法被设计用于生产石墨烯电极 ， 以实现轻质、灵活的太阳能设备和显示屏 ， 但该技术可以用于制造缆绳材料 。 关键是权衡抗拉强度与生产过程的速度和成本效益 ， 从而确定哪种超材料具有最高的成本效益平衡 。 我们研究了三种候选材料：碳纳米管（CNT）、石墨烯和六角氮化硼hBN 。 hBN是另一种2D材料 ， 几乎与石墨烯一样坚固 ， 也是一种候选系链材料 。 制造2D材料和CNT的过程称为化学气相沉积CVD方法 ， CVD工艺使用甲烷气体制造石墨烯 ， 这是一种廉价的原料 ， 也是当前工业制造的基础 。 ”
正如他们得出的结论 ， 虽然hBN在抗拉强度方面很稳定 ， 并且制造工艺很有前景（通常生产用于电子应用的200mm晶圆级多晶） ， 但它没有建造缆绳所需的规模和速度 。 石墨烯结合了这两个世界的最佳时 ， 用于创建单晶品种 。 另外 ， 科学家们通过计算后得出一个数据 ， 只需要180亿美元的成本就可以生产足够的材料 ， 这比美国宇航局2022年240亿美元的预算要少 。 更令人兴奋的是 ， 他们进一步估计 ， 如果得到正确的支持和开发 ， 生产单晶2D石墨烯片的价格可能会下降到每平方米1美分（每平方英尺1/10美分） ， 这意味着可以花费36亿美元 ， 约占美国宇航局2022年预算的15% 。 除此之外 ， 科学家们希望先让太空电梯在地球上进行一些实验 ， 在大西洋、印度洋和太平洋制造两部电梯等等 。
对于精明的太空观察者和商业太空部门来说 ， 其中一些好处肯定听起来很熟悉 ， 而且相当具体 。 简而言之 ， 太空电梯将帮助埃隆·马斯克实现从现在到2050年将100万人送上火星的愿景 ， 而贝佐斯则可以实现在轨道和拉格朗日点建立永久居住区域的梦想 ， 从而形成太阳系中有一万亿人的文明 。 除了在这种情况下 ， 它不会涉及数千枚火箭将小型有效载荷送入太空 ， 耗资数千亿（或万亿） ， 并且不会对地球造成损害 。
当然 ， 要使我们达到这一点 ， 需要做很多事情 ， 其中最重要的一点是世界各国和商业部门要对这一想法进行投资 。 在今年 ， 9月18日至22日 ， 巴黎会举行的国际天文大会IAC上 ， 科学家们发言的时候将鼓励大家投资真正的 ， 可以解决太空运输的问题 。
“总而言之 ， 太空界甚至没有意识到2D材料的存在 ， 而那些了解石墨烯和hBN的人没有意识到2D材料制造方面正在取得的惊人进展 。 我们希望通过一篇研究充分的论文来传播这个消息 ， 太空电梯不是科幻小说 ， 它更接近工程事实 。 太空电梯能在我们有生之年建造吗？是的 ， 当然 ， 这取决于人们对这项令人惊叹的技术投入了多少精力 。 ”
“我们在一个激动人心的时代 ， 在这里 ， 更低的成本、更多的竞争和更多的合作使人类更容易进入太空 。 在这个更活跃、兴趣更新的时代 ， 许多曾经被认为不可行（或成本过高）的科幻概念正在重新评估 。 但是 ， 在进行成本效益分析时 ， 很少有其他想法具有太空电梯那样的潜力 。

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