人类增强、生物医学、星际探索、智能生活…把握现代科技变革与人类文明演进趋势！

(相关资料图)

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剧版《三体》中，一个被称为“纳米飞刃”的武器引发了全国观众的讨论热潮。头发百分之一粗细的纳米材料制成一根根细线，在河中央拉成一张肉眼无法察觉的“无形之网”，将过往的敌船切成了碎片。

中科院物理所表示，“纳米飞刃”要达到武器级的切割精度，面临着材料损耗和长度缺陷等问题，但类似的技术也并非完全不可能实现。在《三体》中，一旦这样的纳米材料实现量产，人类将有能力建造太空电梯，从而大规模进入太空，建造防御系统，而这正是三体人计划率先扑灭人类的纳米技术的原因。

《流浪地球2》中给观众带来极大视觉冲击力的太空电梯，其关键材料，其实就是当今科学界功能性最强的新材料之一——石墨烯。太空电梯的概念最早提出时，如何建造拥有足够长度和强度的缆绳，以连接地表和3.6万公里上空的地球同步轨道，并能够承载巨大的电梯，曾是一个难以跨越的技术难题。进入21世纪后，随着石墨烯这一超强韧、超轻、超传导性的材料的兴起，由石墨烯制成的碳纳米管成了制作太空电梯缆绳的“最佳潜在人选”。

石墨烯的潜力如此巨大，难怪在当今的主流科幻作品中，经常作为“幕后技术顾问”，为故事中一个个令人惊奇的科幻设定提供强大的“现实基础”。正因为这一材料的诞生，纳米飞刃、太空电梯、脑机接口等等看起来难以达成的科学壮举在未来也有望实现。

在《未来黑科技通史》这部系统介绍石墨烯的前世今生的作品中，NASA众多太空和星际推进项目的管理者、著名物理学家莱斯·约翰逊，和纳米技术领域科学家约瑟夫·米尼，就从当今世界的各个前沿领域，为我们介绍了石墨烯能够发挥的作用。他们不仅细致解读了石墨烯在星际探索、生物医学、人类增强等方面的具体运用，还从中剖析了现代科技变革与人类文明演进的趋势。

接下来，我们为大家从《未来黑科技通史》中选取了有关“太空电梯”的精彩段落，让我们一起走进科幻与现实的交界地带，感受石墨烯的强大吧！

太空电梯与太空级3D打印机

摘自《未来黑科技通史》第9章：

“太空中的石墨烯”

让我们暂且将太阳帆放到一边，想象我们来到 2030 年并成功抵达半人马座阿尔法星的场景（注：三体人的故乡和《流浪地球》的目的地也在此处），这样我们就可以谈谈石墨烯的另一项太空应用——制造太空电梯的主体结构。对于还不熟悉太空电梯这个概念的人来说，这个物体可以简单理解为能将我们带入太空的电梯。有文字记录以来，人类就梦想建造出能够通往遥远太空的设备，这让人想到圣经中巴别塔的故事。《创世记》中讲道：

他们说，来吧，我们要建造一座城和一座塔，塔顶通天。求你使我们得名声，免得我们分散在全地球上。

传说中的巴别塔

现代人类也曾建造出高到难以置信的建筑。截至本书付印时，全世界最高的建筑是 828 米的迪拜哈利法塔。（相比之下，美国的帝国大厦只有 443 米高。）但现在我们要想象一座高度超过 42 000 千米的建筑物或高塔，然后再想象这座建筑安装了一部电梯，它可以由地面直接上升到顶部。理论上，我们可以用这部电梯将人、货物或宇宙飞船直接送入太空。这套设施最具吸引力的地方在于，使用这部电梯完成往返旅程之后，我们只需支付实际产生的电费，无需支付火箭和火箭燃料的费用。总的来说，太空电梯成本低廉且简单好用，嗯，当然也不会太简单。

太空电梯的设计方案

在这个世界上，我们该如何（或者说我们怎么才能）建造太空电梯？这个设想有可能实现吗？对于充满未来感的太空电梯，科学家们提出了许多概念性的设计方案。他们中的多数人呼吁搭建一根缆绳，一端连接在地球表面的赤道附近，另一端与太空相连。这条缆绳可在拉力下保持垂直，就像溜溜球的绳子在头顶旋转时能够保持拉力而不会变成柔软的面条一样。这都是离心力发挥的作用。下图展现了这套设计方案。

太空电梯概念示意图。从地球赤道向上建造一座太空电梯，可直达地球同步轨道

缆绳的近地端之所以能够保持拉力，是因为地球具有较大的地心引力，而缆绳的另一端之所以能够保持拉力，则是因为深入太空的缆绳顶端（处于旋转状态，如同溜溜球，因为地球本身就在自转）连接在小行星上，其产生的离心力同样为缆绳施加了一个力。瞧！这样我们就拥有了垂直的高塔，可以从地球表面直接延伸到太空。

建造出《流浪地球》中的太空电梯

现实吗？

现在我们要切换到现实的角度来思考这个问题。我们从未建造过这种规模的建筑物，而分析表明，要想实现这一目标或者要想找到一种可行的建造方法，就要采用一种比现有任何材料更加结实、更加轻便的新型材料。这部电梯必须足够强大，不仅能够承受自身的重量，还要能够承受缆绳顶端锚定的行星给电梯带来的张力。

理想状态下，这条缆绳应具有导电功能，所以电梯的主体结构材料实际上可用作电力系统的一部分。科学家不必再单独建造一条 22 000 英里长的电缆，并担心它连自身重量都难以承受。基于上述这些要求，你是否已经感觉到，好像我们听起来很熟悉的某种东西会成为制造太空电梯的理想选择？从理论上讲，石墨烯或它的本族兄弟碳纳米管是目前已知的、能够实现上述要求的唯一材料。

机敏的读者可能已经发现，我在前一句话中打了个官腔——“从理论上讲”。我认为石墨烯不够现实吗？为什么要说“从理论上讲”呢？答案很简单：在我们研究出如何制造一定长度（超长）的石墨烯链绳之前，众多宏伟的应用仍将停留在“理论阶段”。

要想真正着手设计或建造某物，抑或计划这样做，你就要确定，你在这个过程中所采用的材料具有实用价值，同时可以满足设计要求。能否制造出数千千米长的石墨烯缆绳，目前尚无定论。为了切实感受这项任务的难度，你可以对比一下地球的周长。这个数值大致为 40 000 千米——约等于太空电梯的高度。

送入太空的物品，不会掉下来吗？

关于如何利用太空电梯将物品送入太空，我们还要补充一条有趣而又重要的说明。任何物体，比如卫星，要想环地球轨道运行，都必须以大约每小时 28 000 千米围绕地球运转。也就是说，这种物体必须拥有横向的速度，而不仅仅是垂直的速度，才能进入轨道。这也意味着任何通过电梯送入太空的物体都几乎必须直达顶部，才能环绕地球运行，不至落回地面。

任何物体在地球同步轨道以下的任何高度被丢出来，这种物体都将在地球重力的作用下重新落回地面。友情提示：千万不要站在太空电梯旁边，以免有东西砸到脑袋，不小心会死人的哦。

太空供应链：维修与储藏

在第 4 章《正在崛起的神奇材料》中，我们介绍过采用石墨烯材料实现的增材制造和 3D 打印技术。NASA 认为增材制造是实现人类太空飞行的关键因素，因而正在大力投资这项技术。石墨烯材料的应用将为这项技术锦上添花。

增材制造已被 NASA 视为开展长期太空探索的必要技术，他们在国际空间站上对增材制造系统进行了太空失重环境下的操作测试。如今，当我们规划载人航天任务时，需要将有效载荷中的很大比例预留给备用配件。

在前往火星执行任务的过程中，宇宙飞船的往返需要 2 ～ 3 年，因此谁愿遇到某种重要部件损毁却没有备用配件可以替换的情况？从统计学上讲，并不是每项重要部件都会出现损毁，但其中某一项出问题却几乎是不可避免的。对此，你打算如何应付呢？只能在旅途中为所有重要系统带上备用部件。这也就意味着，除了发射任务团队所需的各项功能性设备外，NASA 还需要发射一个配件储藏库，以便在航行过程中为维修提供帮助。这些航天部件大部分永远都用不到，但却仍需配备，“以防万一”。

第一代太空级3D打印机已经在国际空间站完成了飞行和相关测试，背景是微重力科学手套箱工程组（NASA）

然而，航天任务的成本和复杂程度均会因此显著提升，这就是这种备用部件供应方式存在的问题。更多的备用部件意味着我们需要提供更多的存储空间，最重要的是，重量也随之变得更大。更大的重量自然需要额外的燃料，从而又使整个系统的重量进一步增加。目前每千克火箭的发射成本为 3 000 ～ 10 000 美元不等，可见携带所有这些备用部件以及用于储存和发射它们所需的成本的确很高。

太空级3D打印机：

有了它，你就有了哆啦A梦的口袋

如果你不需要携带所有这些备用部件，而只需带上一台 3D 打印机、原材料，以及所有备用部件的制造方案，那又会是怎样的一个前景呢？这样一来，为储存备用部件而预留的负载重量便可大幅削减，要送入太空的“物品”也相应减少，我们还将同时降低资金投入和不必要的复杂度。宇航员和航天任务的规划者也将因此获得更多灵活性。如果临时需要某种完全超出预料的设备或部件，我们可以通过地球上的无线电将制造方案传送至宇宙飞船，反正地面上的工程设计人才应有尽有。

对于科幻迷，尤其是看过《星际迷航》的人来说，这番场景听起来仿佛似曾相识——是的，我们正处于研发“复制器”的初级阶段。在探索太阳系甚至更加遥远浩瀚的宇宙空间时，无论勇敢无畏的宇航员们需要什么物品，这台复制器都能制造出来。那么石墨烯又在其中发挥了怎样的作用呢？可以说，它的作用无处不在。基于我们介绍过的种种理由，从这种材料的强度、导电性能以及合理掺杂后形成的半导体性能，到尚待开发的如水过滤、发电和存储等更多奇特性能，利用了石墨烯的 3D 打印机必将开启无限可能性：

如利用大型的 3D 打印机，在月球或火星上建造出一片片居住聚居地。将当地的泥土或风化层与石墨烯结合后，我们可以让这些居住聚居地的建筑变得更加牢固，使居住聚居地在两大星球的恶劣环境中更具生存能力。

还可以利用打印出来的嵌入式传感器，复制出星球的表面结构，对聚居地的内外环境进行监控。

抑或就地制造关键性的生命维持系统，使其适应任意着陆点的独特环境。这样一来，科学家既不需要在地球上根据指定着陆点进行预先规划，使得探索范围受到极大限制，也不需要预先制造出足以适应任何环境的强大系统，在系统的质量和复杂程度上投入过多精力。事实上，我们只要在任何需要的时候设计和制造自己所需的生命支持系统。

石墨烯：

彻底颠覆人类太空探索事业

最后，石墨烯强化传感器还可用于制造空间应用所需的科研仪器。石墨烯的特性不仅对地面应用具有吸引力，同时也激发起航天科学界的高度关注。该领域的科学家们一直在积极寻找各种方法使航天仪器变得更小、更轻、更节能。

有一种传感器被视为利用石墨烯优异特性的典型范例，这种传感器可用于测量近地轨道（LEO）上的氧原子浓度。氧原子通常为双原子，也就是说它们成对地结合在一起，其化学式为 O2。地球上很少有单独的氧原子，但在非真空状态的近地轨道上，充足的能量可将成对的氧原子一分为二，形成单个氧原子。随着时间的推移，这种原子会对太空中的材料造成严重破坏。实际上，许多材料都会因持续暴露在单个氧原子的环境下而遭到腐蚀，以致最终断裂或彻底失效。

目前采用的氧原子传感器并不很大，但 NASA 戈达德太空飞行中心（NASA Goddard Space Flight Center）的研究结果表明，新一代的石墨烯传感器会更小，可直接嵌入航天器的整体架构，用于探测氧原子和其他中性原子的浓度。这种传感器经过调整后，可用于执行太阳系内的各种任务，帮助科学家描绘出其他星球的不同环境，而其消耗的质量和能量仅为当前传感器消耗量的一小部分。

石墨烯有可能彻底颠覆人类的太空探索事业。那些雄心勃勃、有望改变世界的任务虽然目前看起来仍像是科幻小说中的场景，但都有可能因石墨烯而变为现实。

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内容简介：

美国航空航天局（NASA）杰出成就奖得主、纳米技术领域硬核科学家联袂合著。

作为“21世纪支柱性高新技术”之一的新材料技术正在彻底颠覆人类世界

本书将带你了解“新材料”石墨烯的革命性意义，洞悉智造产业机遇与挑战，把握现代科技变革与人类文明演进趋势。

[美]莱斯·约翰逊 LES JOHNSON

三度荣获美国国家航空航天局（NASA）杰出成就奖

石墨烯太阳帆太空推进关键技术专利权人

《美国国家地理》专访“特色星际探索家”

“Discovery探索频道”系列节目“不可能的物理”特邀嘉宾

美国国家太空协会、世界未来学会及门萨俱乐部成员

[美]约瑟夫·米尼 JOSEPH E. MEANY

美国田纳西河谷星际工作室组委会成员

纳米技术领域硬核科学家

《未来黑科技通史》

作者：【美】莱斯·约翰逊、约瑟夫·米尼

出品：中资海派

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