纳米技术与航天

沈羡云

纳米技术是指在0.1~100纳米（符号：nm）的尺度空间内研究电子、原子、分子的内在运行规律和特性的新技术.采用这种技术可以按照人的意愿来操纵原子、分子，或者原子团、分子团，制造出具有特定功能的微型材料和设备，将加工处理技术提高到前所未有的水平.纳米是一个非常小的单位，1纳米等于1米的十亿分之一.如果将地球的直径看做1米的话，那么1纳米就相当于地球上的一个乒乓球的直径，可知它有多小了！当一种物质被“切割”成这样小时，它的物理、化学性质就会发生很大的变化.利用物质的这些特性，可以研制出非常小的、具有独特功能的材料和设备.例如，在纳米电路中用1个电子就可以实现硅芯片半导体电路中10万个电子才能实现的“通”、“断”特性，它有可能成为未来更小、更精确和能耗更低的芯片的基础.采用纳米技术研制的器材和设备，具有结构简单、可靠性高、成本低等诸多优势.因此，纳米技术已经成为21世纪技术革命的核心.

科学家们预计，纳米技术在新世纪中的应用前景非常广阔，已经涵盖了材料学、测量学、机械学、电子学、光学、化学、生物学等众多领域.信息技术与纳米技术的关系已密不可分.纳米技术在航空航天领域的应用前景更为广阔，下面举几个例子说明它在航天领域中的应用.

轻小的航天器

采用纳米技术可以使科学家和工程师设计并生产出用于飞机、火箭、空间站等需要的轻质、高强度、热稳定的材

料，制造出成本只有6万美元、大小如一辆小汽车的航天器，其发射费用可以从目前的每磅1万美元降低到200美元.

纳米器件不仅可以增加航天器的有效载荷，更重要的是可使耗能指标指数大幅度降低.这方面的研究内容还包括：设计和制造重量更轻、强度更高、热稳定性更好的纳米结构材料；为微型航天器研制用纳米集成的测试、控制和电子设备；研制低能耗、抗辐射、高性能的计算机.

布满太空的纳米卫星网

未来的太空，袖珍式的纳米卫星将布满天空.这些卫星的各个部件都是用纳米材料制造的，并用纳米技术将它们装配在一起，总质量仅为0.1~10千克，具备了现在卫星的所有功能.因为体积小、重量轻，一枚小小的火箭就可以发射数百颗甚至上千颗纳米卫星，形成覆盖整个地球的卫星网，对地球上任何点进行不间断的监测、侦察和信息转发，即使少数纳米卫星失灵，也不会使整个系统瘫痪，仅降低一些功能而已，这是现在的卫星达不到的.生产这种卫星不需要大型厂房和设备，科研单位、大学的实验室里就可以将它们造出来.

由于它的生产成本低、周期短（约2年），又具有极强的灵活性、生存能力和军事用途，因此受到各国军事家的青睐.美国、俄罗斯等航天大国和许多中小国家均投入大量人力物力加紧研究.例如，2005年俄罗斯发射了一颗远距离探测地球的纳米卫星，它的体积比家用奶粉桶略大一些，仅重5千克.在这颗卫星上，装有数码相机，其拍摄视野宽度达290千米，照片分辨率可达50米.卫星上的无线电发射器可以将照片传回地面，购买这颗卫星使用权的用户只要用小型接收站就可以自己接收卫星信息.地面控制人员可频繁地与“纳米卫星”联系，甚至像用手机打电话那样快捷.此外，美国、英国等国也发射过纳米卫星.2004年4月，我国清华卫星技术有限公司研制的首颗纳米卫星“THNS-1”也发射升空.

为了发射纳米卫星，美国正在研制一种纳米火箭．它只有半个火柴盒那样大，但它的推力是惊人的，它的推力质量比相当于航天飞机的几百倍，但耗费很低.

乘天梯到月球观光

“敢上九天揽月”，这曾是中国人的一句豪言壮语，但是，将来不仅航天员可以到月球探险，普通人也可以到月球去旅游.这已经不是幻想，纳米技术的产生为人类提供了这种条件.

建造太空天梯最大的问题是天梯的缆绳，它们必须异常轻巧，又要十分坚硬，能够承受超强压力，同时还要能够耐腐蚀.为了这种材料，科学家们苦苦等了几十年.现在，可以制造天梯的材料终于研制出来了.1991年，日本科学家发明了碳纳米管，它是一种由碳原子组成的空心圆柱体，圆柱体直径约为30纳米，仅是人头发粗细的1/5000.它像钻石一样坚硬，但是又很柔韧，足以形成纤维．其强度可达到钢的100倍.如果用它来做天梯缆绳，可以割成宽约1米，厚度比纸还要薄，却能支撑13吨有效载重量的缆绳.

现在，科学家已经着手进行地球天梯的研究.首先需要解决的是碳纳米管的成本问题.目前休斯顿赖斯大学的史密斯等正在研制一种新的碳纳米钢索材料，它将制造碳纳米钢索材料的成本降低到每克1美元以下.之后，需要解决的是天梯的设计，美国和俄罗斯提出不同的设计方案，正在组织实施.地球天梯投入使用后，国际空间站需要的部件，以及想“畅游太空”的人类，都将通过这条缆绳被拉上高空，然后再将其“弹射”进入太空轨道.这样，将物体或人送入太空的成本会大大降低.例如，目前航天飞机运送每千克物质的费用是2万美元，而天梯运送每千克物质的费用只需要10美元.这样，太空探索会变得更简单．就像我们坐电梯一样，太空旅游的费用也会更低.科学家们设想，将来在地球表面2.2万英里外的太空，将建成太空酒店，让太空旅客轻轻松松一睹宇宙奇观.在地球天梯建成后，还将建造月球天梯、火星天梯，到那时在太阳系遨游不再是难事.人类可以踏足月球，以至太阳系其他行星.因此.天梯的建成将把人类太空探索的历史跨越式地向前推进一步.

航天员健康的保护神

纳米技术的发展也推动了纳米医学的产生.纳米医学可以弥补现在医学的不足，在分子水平上，利用一系列微小的工具从事诊断、医疗、预防疾病、防止外伤、止痛、保健和改善健康状态及医学研究等工作.例如，应用纳米技术可研制靶向药物，将基因和药物带到身体指定部位，使药物对病区“指哪儿打哪儿”；采用纳米技术可以做成有生物相容性的器官和血液代用品，人如果哪个器官坏了，像换零件一样，换个纳米器官就可以；装有纳米检测器的生物芯片将直接进入人体并在体内进行微手术，还可侦察病情，及早诊治等.这些作用不仅可以用在地球上，造福于地球上的人，而且对于保证航天员在太空的健康和安全也是十分重要的.

在远离地球的太空，监测航天员的健康，了解航天中的各种恶劣因素对航天员健康的影响并及时采取措施保证航天员的健康，比在地球上更困难、更必要.尤其在脱离地球轨道的星际飞行中，航天员即使患了严重的疾病也无法将他们送回地球医治，如何进行自身保健和治疗成为影响航天任务和航天员健康的关键.纳米技术可以实现这种要求，例如，若太空航天员得了辐射病，他可以将一种纳米药丸注射到体内，纳米药丸在人体的血液中到处巡逻，将辐射引起的癌细胞杀死，正常的细胞仍然在发挥它们的功能，航天员的辐射病就会被治好.

采用纳米技术制成的药物，不仅增加了药物的溶解度和吸收率，提高了疗效，而且将它们敷在皮肤上就可以被皮肤“吃”进去.航天员在太空生了病，不用再打针，贴上一片膏药就可以了.采用纳米技术，还可以生产出识别血液异常的生物芯片，可以将它们注入航天员的血液，在血液中进行巡逻探测，及时发现诸如病毒、细菌这样的外侵者，将其杀死.最近，科学家通过应用生物纳米技术，发现了好几种不同结构的睡眠素，它们在睡眠中起的作用不同：有的能催眠；有的能延长睡眠时间；有的可以使睡眠更加深沉.科学家们正在进行人工合成睡眠素的研究，设想将睡眠素注入到航天员身体内，使航天员在进行远离地球的星际探险时，在太空睡上几个月，甚至更长时间，使人类飞向茫茫宇宙成为现实.

（摘自《百科知识》）

【责任编辑：穆林彬】