Углеродные нанотрубки не выдержат космический лифт

Невероятно прочные и легкие, углеродные нанотрубки считаются одним из самых перспективных материалов будущего, который позволит создать технологии, недоступные сегодня. Одной из таких технологий может стать «космический лифт» – конструкция для безракетного запуска в космос. Подсчитано, что трос, протянутый с поверхности Земли до геостационарной орбиты, будет удерживаться сам по себе, за счет центробежной силы, и она же сможет придавать полезной нагрузке нужное для старта ускорение – подробно об этих проектах мы писали в одном из номеров журнала Naked Science.

Ключевой проблемой космического лифта остается сам трос: нужной прочностью на килограмм собственной массы не обладает ни одна сталь. Вместе с тем расчеты показывают, что углеродные нанотрубки способны выдерживать куда большую нагрузку на разрыв – до 100 ГПа. Из-за несовершенства технологий получения таких одноатомных слоев углерода, свернутых в длинные полые трубки, пока этот показатель составляет лишь 1 ГПа. Однако недавняя работа физиков из Гонконгского политехнического университета показала, что дело может быть не только в технологиях.

Ученые, статья которых опубликована журналом ACS Nano, смоделировали поведение нанотрубки, в которой всего один атом смещен со своей позиции. В результате в одном участке ее идеальная гексагональная решетка нарушается появлением пяти- и семиугольной структуры. Оказалось, что это крошечное несовершенство резко ухудшает теоретические идеальные свойства нанотрубки, и ее прочность на разрыв падает до 40 ГПа всего из-за одного атома.

Авторы полагают, что именно такой результат мы видим пока, стараясь получить самые лучшие углеродные нанотрубки: несколько десятков смещенных атомов серьезно ухудшают их характеристики. Хуже того, трос будущего космического лифта должен выдерживать минимум 50 ГПа, а это значит, что нанотрубки для него подойдут лишь идеальные – те, в которых каждый атом находится строго в своей позиции гексагональной решетки. Получение таких нанотрубок больших размеров, хотя бы порядка метров, вряд ли достижимо в обозримой перспективе. Похоже, лифт в очередной раз застрял.