太空电梯技术和石墨烯

在这次采访中，Nixor Ltd的首席执行官Adrian Nixon与Azom谈论太空电梯以及2D材料将如何为它们做出贡献。欧洲杯足球竞彩

How does a space elevator work?

这个概念很简单。目前，进入太空的唯一方法是骑火箭。但是，还有另一种方法。

想象一下，您正站在赤道上。在您上方，已经发射了一颗地静止的卫星进入轨道。从您的角度来看，该卫星将始终直接在您上方。

现在，想象一下，您可以将电缆从卫星掉落到地面。您会直接在您面前看到电缆。您可以抓住电缆，开始攀爬，最终，您将一直爬上太空。就是这样。

即使这个概念很简单，实际上做到这一点也相反。这将是有史以来主要的工程挑战之一，但是石墨烯可以提供帮助。

听起来像科幻小说！欧洲杯线上买球可以真正建造太空电梯吗？

当我第一次听说太空电梯时，我认为这也是科幻小说。欧洲杯线上买球然后我研究了背景，发现有一个由非常可靠的工程师和火箭科学家组成的全球社区，他们认为可以做到这一点，他们正在积极地从事这项技术。

在本世纪初，美国国家航空航天局（NASA）决定找出这是否是一个现实的项目。这美国宇航局高级概念研究所（NIAC）使用其最受尊敬的科学家Bradley C. Edwards资助了对太空电梯的可行性研究。爱德华兹博士进行了六个月的彻底调查，并根据对所涉及的挑战和该技术的关键组成部分的评估进行了调查报告：

空间电梯有四个基本要素。

1. 基站和锚。
2. 配重和轨道空间站。
3. 系绳（将表面连接到空间的电缆）。
4. 登山者（电梯马车）。

爱德华兹博士发现，鉴于足够的金钱和时间，除了束缚之外的所有东西都可以通过当前的技术创建。没有足够强大的材料来制造束缚。提出了碳纳米管作为候选材料，但没有出现连续的生产过程，可以使它们以所需的数量和质量。

因此，整个太空电梯项目有效地停滞了。但是，一个全球高科技的火箭科学家和工程师在一个名为国际太空电梯联盟（ISEC）的组织中保持了这个想法。他们一直保持着开发材料科学的监视。欧洲杯足球竞彩欧洲杯线上买球

Since the NASA report was commissioned, a new material has been isolated - graphene. The technology of graphene is maturing and it now has the attention of ISEC as a candidate tether material.

为太空电梯制造石墨烯材料的主要挑战是什么？欧洲杯足球竞彩

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石墨烯是一种很棒的2D材料。它比钢强200倍，透明，柔韧性，并且电力比铜更好。但是，石墨烯只能用当前技术的小部分商业制作。

以例如‘比钢强200倍' 财产。目前，您无法充分利用它，因为当前的商业状态是使用自上而下的方法从石墨生产石墨烯。这使石墨烯成为通常长400纳米的纳米板。为了了解这有多小，请查看一张复印纸的边缘，即100微米（100,000纳米）厚。您可以在该纸的边缘上安装250个石墨烯纳米板。

因此，您可以看到石墨烯纳米板非常小。您可以想象，如果您想将当前的市售石墨烯用于太空电梯任务，以及许多其他应用程序，您将需要诸如链条之类的东西。您已经有了所有这些非常强大的小链接，但是它们没有连接在一起，因此纳米板石墨烯将无法使用。

您可能考虑的第一个解决方案是将纳米板粘合在一起。研究已经进行了研究共聚的石墨烯纳米片但是，由于各种聚合物可以制造出强大的复合材料，因此它不足以成为可行的系绳材料。

制作石墨烯的另一种方法是通过自下而上的方法，该方法通过原子组装石墨烯，原子。领先的技术称为化学蒸气沉积（CVD）。即使从工业角度来看，这个过程仍然处于起步阶段，但令人印象深刻。

CVD工艺通常涉及将甲烷和氢加热至刚低于1000度的摄入，例如铜或镍等干净的金属表面。当热甲烷接近金属表面时，一种反应是由从甲烷分子中的碳中去除氢的金属催化的。甲烷的碳降落在金属表面上，并开始与其他碳原子联系起来。最低的能量结构是平坦的SP2杂交碳 - 换句话说，石墨烯。一旦覆盖了表面，反应就会停止，将一个原子厚的2D石墨烯覆盖在金属上。

您会认为您的表面上会有一张连续的石墨烯，但是由于存在一些问题，因此不会得到完美的层。其中之一是，金属的表面在微观水平上包含裂缝（看起来有点像疯狂的铺路）。当石墨烯层长大时，它通常会弥补这些不连续性，并且您将在表格中得到缺陷。

另一个问题是石墨烯同时从多个斑点生长。有点像雪花降落在人行道上。这些形成单独的域，它们逐渐增加，然后相互对抗。同样，您会出现不连续性。这会创建多晶石墨烯。

制作石墨烯层后，您现在必须将其从金属中删除。有两种基本方法。首先是使用诸如强酸或氧化剂等蚀刻溶液溶解金属。第二个是使用强胶带。粘性胶带方法通常会留下一个污染石墨烯的聚合物残留物。

尽管英国，美国和挪威的团队正在努力将此方法转变为连续过程，但两种方法都是批处理过程。所有这些方法目前仍处于实验室阶段。

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您如何使石墨烯适用于太空电梯tethers？

绳索需要尽可能坚固，因此这意味着结构的整个长度需要由无缺陷的单一石墨烯片制成。这样的结构将是宏观尺度上的单个分子。直到最近，这是不可能的

但是，早在2017年1月和3月，我提出了一个连续的过程，以使缺陷在卷中制作无缺陷的石墨烯。

然后，事情开始变得非常有趣，因为那年晚些时候（2017年夏季）北京大学的一支团队宣布，他们是第一个以500mm x 50mm的比例近乎完美的石墨烯。他们称这种材料单晶石墨烯。在这种情况下，水晶是指重复的常规图案，而不是我们日常体验的闪闪发光的脆性晶体。

Single-crystal graphene is important because it is very strong. Tensile strength is a measure of the force needed to pull apart any material and is measured in Pascals (Pa). Commercially available structural steel has strength of 550 MPa (550 Million Pa). A space elevator tether needs to be made from a material with strength of at least 50GPa (50000 MPa), so steel is not strong enough. Single-crystal graphene on the other hand, has a tensile strength of 130GPa. (130000 MPa). It is the strongest material ever tested and will be strong enough to make a space elevator tether.

为了回答您的问题，单晶石墨烯是可以制造太空电梯的材料。该材料存在。它已经在实验室中制作。

由于没有像太空电梯那样制造的，因此您可以从理论上和实际测试多少？

NASA在太空电梯的要素上做了很多理论工作。国际太空电梯联盟（ISEC）和其他人继续进行这项工作，因此我们知道可以在哪里建造太空电梯，并且已经考虑并解决了许多明显的技术挑战。

就单晶石墨烯而言，我们仍处于早期阶段。我们知道这些材料已在实验室范围内制成，但样品已被隔​​离以进行进一步测试。

几周前，在2018年5月，韩国的一支团队以厘米量表接近完美的单晶石墨烯，以在实验室进行测试。他们直接测量了强度，发现样品的模量为0.9 tpa。这非常接近1.0 TPA的预测值，并将石墨烯视为有史以来最强的材料。

如果您想了解更多信息，我将在2018年8月17日在西雅图举行的ISEC会议上介绍此信息。

我们有多近构建真实的东西？

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太空电梯即将进入公众意识。无论如何，在模拟中。迪士尼几天前宣布，他们现在正在为佛罗里达州迪士尼世界Epcot中心的一家轨道餐厅使用太空电梯模拟器工作！

亚瑟·克拉克（Arthur C. Clarke）著名地说，太空电梯将在每个人都停止笑声五十年后建造。笑声已经停止了。真实的事情可能比您想象的要近。概念项目的证明将是必要的，以证明可以通过连续过程进行单晶石墨烯。然后进行一系列的后续项目，以设计和制造生产机器，以便可以正确优化和扩展该过程。ISEC团队估计这可能需要20年。仅限束缚将花费约200亿美元。

要实际构建所有其他元素，它可能会再花费800亿美元。在20到30年的时间内，我们可以将其完成到1000亿美元以下。这个数字与仅在2018年仅价值约3600亿美元的全球空间产业对比。

您可能也会发现各种有趣的事情，因为所有这些的投资回报率令人震惊。它甚至可能在我的一生中发生，但是仍然有许多障碍要克服。

我不想给任何人的印象，即很快就会发生这种情况。目前，这是一组想法 - 他们已经经过深思熟虑，但是他们需要正确测试。这将是长时间的工业实力挑战，但我坚信可以做到这一点。

太空电梯将如何使我们受益，太空电梯对太空旅行的未来意味着什么？

除了使我们平稳，安全地进入空间外，运营成本还低。在撰写本文时，您可以期望每公斤支付约20,000美元，以将有效载荷纳入轨道，但是使用太空电梯，一旦您支付了所有的设置费用，您就会降至每公斤100美元或200美元。即使有大量设置成本，业务案例也令人信服。

很长一段时间内，投资回报率（ROI）很有意义。如果您只想将其用作一个，那么这是一件非常昂贵的事情，但是一个想法是，一旦您获得了太空电梯，则建造空间的旅行就会变得常规且便宜。

爱德华兹博士总结了他对美国宇航局的报告的影响：“……我们（人类）将在太空电梯的建设中获得的长期回报令人震惊，这实际上会改变我们的世界。”

关于阿德里安·尼克松

阿德里安·尼克松（Adrian Nixon）开始担任特许化学家和皇家化学学会成员，现在是Investorintel的高级编辑，也是Nixor Limited的创始人/首席执行官。他还是国家石墨烯协会的顾问委员会成员，也是远见论坛的联合创始人/主持人。

阿德里安·尼克松（Adrian Nixon）将在2018年国际太空电梯会议（2018年8月17日至19日）上担任主题演讲者；在华盛顿西雅图的飞行博物馆举行。