納米技術(shù)與航天

沈羨云

納米技術(shù)是21世紀(jì)技術(shù)革命的核心，它在航天領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛，本文將給你介紹這方面的內(nèi)容.

納米技術(shù)是指在0.1~100納米（符號(hào)：nm）的尺度空間內(nèi)研究電子、原子、分子的內(nèi)在運(yùn)行規(guī)律和特性的新技術(shù).采用這種技術(shù)可以按照人的意愿來(lái)操縱原子、分子，或者原子團(tuán)、分子團(tuán)，制造出具有特定功能的微型材料和設(shè)備，將加工處理技術(shù)提高到前所未有的水平.納米是一個(gè)非常小的單位，1納米等于1米的十億分之一.如果將地球的直徑看做1米的話，那么1納米就相當(dāng)于地球上的一個(gè)乒乓球的直徑，可知它有多小了！當(dāng)一種物質(zhì)被“切割”成這樣小時(shí)，它的物理、化學(xué)性質(zhì)就會(huì)發(fā)生很大的變化.利用物質(zhì)的這些特性，可以研制出非常小的、具有獨(dú)特功能的材料和設(shè)備.例如，在納米電路中用1個(gè)電子就可以實(shí)現(xiàn)硅芯片半導(dǎo)體電路中10萬(wàn)個(gè)電子才能實(shí)現(xiàn)的“通”、“斷”特性，它有可能成為未來(lái)更小、更精確和能耗更低的芯片的基礎(chǔ).采用納米技術(shù)研制的器材和設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、成本低等諸多優(yōu)勢(shì).因此，納米技術(shù)已經(jīng)成為21世紀(jì)技術(shù)革命的核心.

科學(xué)家們預(yù)計(jì)，納米技術(shù)在新世紀(jì)中的應(yīng)用前景非常廣闊，已經(jīng)涵蓋了材料學(xué)、測(cè)量學(xué)、機(jī)械學(xué)、電子學(xué)、光學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)等眾多領(lǐng)域.信息技術(shù)與納米技術(shù)的關(guān)系已密不可分.納米技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用前景更為廣闊，下面舉幾個(gè)例子說(shuō)明它在航天領(lǐng)域中的應(yīng)用.

輕小的航天器

采用納米技術(shù)可以使科學(xué)家和工程師設(shè)計(jì)并生產(chǎn)出用于飛機(jī)、火箭、空間站等需要的輕質(zhì)、高強(qiáng)度、熱穩(wěn)定的材料，制造出成本只有6萬(wàn)美元、大小如一輛小汽車的航天器，其發(fā)射費(fèi)用可以從目前的每磅1萬(wàn)美元降低到200美元.

納米器件不僅可以增加航天器的有效載荷，更重要的是可使耗能指標(biāo)指數(shù)大幅度降低.這方面的研究?jī)?nèi)容還包括：設(shè)計(jì)和制造重量更輕、強(qiáng)度更高、熱穩(wěn)定性更好的納米結(jié)構(gòu)材料；為微型航天器研制用納米集成的測(cè)試、控制和電子設(shè)備；研制低能耗、抗輻射、高性能的計(jì)算機(jī).

布滿太空的納米衛(wèi)星網(wǎng)

未來(lái)的太空，袖珍式的納米衛(wèi)星將布滿天空.這些衛(wèi)星的各個(gè)部件都是用納米材料制造的，并用納米技術(shù)將它們裝配在一起，總質(zhì)量?jī)H為0.1~10千克，具備了現(xiàn)在衛(wèi)星的所有功能.因?yàn)轶w積小、重量輕，一枚小小的火箭就可以發(fā)射數(shù)百顆甚至上千顆納米衛(wèi)星，形成覆蓋整個(gè)地球的衛(wèi)星網(wǎng)，對(duì)地球上任何點(diǎn)進(jìn)行不間斷的監(jiān)測(cè)、偵察和信息轉(zhuǎn)發(fā)，即使少數(shù)納米衛(wèi)星失靈，也不會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)癱瘓，僅降低一些功能而已，這是現(xiàn)在的衛(wèi)星達(dá)不到的.生產(chǎn)這種衛(wèi)星不需要大型廠房和設(shè)備，在科研單位、大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室里就可以將它們?cè)斐鰜?lái).

由于它的生產(chǎn)成本低、周期短（約2年），又具有極強(qiáng)的靈活性、生存能力和軍事用途，因此受到各國(guó)軍事家的青睞.美國(guó)、俄羅斯等航天大國(guó)和許多中小國(guó)家均投入大量人力物力加緊研究.例如，2005年俄羅斯發(fā)射了一顆遠(yuǎn)距離探測(cè)地球的納米衛(wèi)星，它的體積比家用奶粉桶略大一些，僅重5千克.在這顆衛(wèi)星上，裝有數(shù)碼相機(jī)，其拍攝視野寬度達(dá)290千米，照片分辨率可達(dá)50米.衛(wèi)星上的無(wú)線電發(fā)射器可以將照片傳回地面，購(gòu)買這顆衛(wèi)星使用權(quán)的用戶只要用小型接收站就可以自己接收衛(wèi)星信息.地面控制人員可頻繁地與“納米衛(wèi)星”聯(lián)系，甚至像用手機(jī)打電話那樣快捷.此外，美國(guó)、英國(guó)等國(guó)也發(fā)射過納米衛(wèi)星.2004年4月，我國(guó)清華衛(wèi)星技術(shù)有限公司研制的首顆納米衛(wèi)星“THNS-1”也發(fā)射升空.

為了發(fā)射納米衛(wèi)星，美國(guó)正在研制一種納米火箭．它只有半個(gè)火柴盒那樣大，但它的推力是驚人的，它的推力質(zhì)量比相當(dāng)于航天飛機(jī)的幾百倍，但耗費(fèi)很低.

乘天梯到月球觀光

“敢上九天攬?jiān)隆?，這曾是中國(guó)人的一句豪言壯語(yǔ)，但是，將來(lái)不僅航天員可以到月球探險(xiǎn)，普通人也可以到月球去旅游.這已經(jīng)不是幻想，納米技術(shù)的產(chǎn)生為人類提供了這種條件.

建造太空天梯最大的問題是天梯的纜繩，它們必須異常輕巧，又要十分堅(jiān)硬，能夠承受超強(qiáng)壓力，同時(shí)還要能夠耐腐蝕.為了這種材料，科學(xué)家們苦苦等了幾十年.現(xiàn)在，可以制造天梯的材料終于研制出來(lái)了.1991年，日本科學(xué)家發(fā)明了碳納米管，它是一種由碳原子組成的空心圓柱體，圓柱體直徑約為30納米，僅是人頭發(fā)粗細(xì)的1/5000.它像鉆石一樣堅(jiān)硬，但是又很柔韌，足以形成纖維．其強(qiáng)度可達(dá)到鋼的100倍.如果用它來(lái)做天梯纜繩，可以割成寬約1米，厚度比紙還要薄，卻能支撐13噸有效載重量的纜繩.

現(xiàn)在，科學(xué)家已經(jīng)著手進(jìn)行地球天梯的研究.首先需要解決的是碳納米管的成本問題.目前休斯頓賴斯大學(xué)的史密斯等正在研制一種新的碳納米鋼索材料，它將制造碳納米鋼索材料的成本降低到每克1美元以下.之后，需要解決的是天梯的設(shè)計(jì)，美國(guó)和俄羅斯提出不同的設(shè)計(jì)方案，正在組織實(shí)施.地球天梯投入使用后，國(guó)際空間站需要的部件，以及想“暢游太空”的人類，都將通過這條纜繩被拉上高空，然后再將其“彈射”進(jìn)入太空軌道.這樣，將物體或人送入太空的成本會(huì)大大降低.例如，目前航天飛機(jī)運(yùn)送每千克物質(zhì)的費(fèi)用是2萬(wàn)美元，而天梯運(yùn)送每千克物質(zhì)的費(fèi)用只需要10美元.這樣，太空探索會(huì)變得更簡(jiǎn)單．就像我們坐電梯一樣，太空旅游的費(fèi)用也會(huì)更低.科學(xué)家們?cè)O(shè)想，將來(lái)在地球表面2.2萬(wàn)英里外的太空，將建成太空酒店，讓太空旅客輕輕松松一睹宇宙奇觀.在地球天梯建成后，還將建造月球天梯、火星天梯，到那時(shí)在太陽(yáng)系遨游不再是難事.人類可以踏足月球，以至太陽(yáng)系其他行星.因此.天梯的建成將把人類太空探索的歷史跨越式地向前推進(jìn)一步.

航天員健康的保護(hù)神

納米技術(shù)的發(fā)展也推動(dòng)了納米醫(yī)學(xué)的產(chǎn)生.納米醫(yī)學(xué)可以彌補(bǔ)現(xiàn)在醫(yī)學(xué)的不足，在分子水平上，利用一系列微小的工具從事診斷、醫(yī)療、預(yù)防疾病、防止外傷、止痛、保健和改善健康狀態(tài)及醫(yī)學(xué)研究等工作.例如，應(yīng)用納米技術(shù)可研制靶向藥物，將基因和藥物帶到身體指定部位，使藥物對(duì)病區(qū)“指哪兒打哪兒”；采用納米技術(shù)可以做成有生物相容性的器官和血液代用品，人如果哪個(gè)器官壞了，像換零件一樣，換個(gè)納米器官就可以；裝有納米檢測(cè)器的生物芯片將直接進(jìn)入人體并在體內(nèi)進(jìn)行微手術(shù)，還可偵察病情，及早診治等.這些作用不僅可以用在地球上，造福于地球上的人，而且對(duì)于保證航天員在太空的健康和安全也是十分重要的.

在遠(yuǎn)離地球的太空，監(jiān)測(cè)航天員的健康，了解航天中的各種惡劣因素對(duì)航天員健康的影響并及時(shí)采取措施保證航天員的健康，比在地球上更困難、更必要.尤其在脫離地球軌道的星際飛行中，航天員即使患了嚴(yán)重的疾病也無(wú)法將他們送回地球醫(yī)治，如何進(jìn)行自身保健和治療成為影響航天任務(wù)和航天員健康的關(guān)鍵.納米技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)這種要求，例如，若太空航天員得了輻射病，他可以將一種納米藥丸注射到體內(nèi)，納米藥丸在人體的血液中到處巡邏，將輻射引起的癌細(xì)胞殺死，正常的細(xì)胞仍然在發(fā)揮它們的功能，航天員的輻射病就會(huì)被治好.

采用納米技術(shù)制成的藥物，不僅增加了藥物的溶解度和吸收率，提高了療效，而且將它們敷在皮膚上就可以被皮膚“吃”進(jìn)去.航天員在太空生了病，不用再打針，貼上一片膏藥就可以了.采用納米技術(shù)，還可以生產(chǎn)出識(shí)別血液異常的生物芯片，可以將它們注入航天員的血液，在血液中進(jìn)行巡邏探測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)諸如病毒、細(xì)菌這樣的外侵者，將其殺死.最近，科學(xué)家通過應(yīng)用生物納米技術(shù)，發(fā)現(xiàn)了好幾種不同結(jié)構(gòu)的睡眠素，它們?cè)谒咧衅鸬淖饔貌煌河械哪艽呙?；有的能延長(zhǎng)睡眠時(shí)間；有的可以使睡眠更加深沉.科學(xué)家們正在進(jìn)行人工合成睡眠素的研究，設(shè)想將睡眠素注入到航天員身體內(nèi)，使航天員在進(jìn)行遠(yuǎn)離地球的星際探險(xiǎn)時(shí)，在太空睡上幾個(gè)月，甚至更長(zhǎng)時(shí)間，使人類飛向茫茫宇宙成為現(xiàn)實(shí).

（摘自《百科知識(shí)》）