降低太空采矿成本的关键

太空采矿成本高的关键是材料太贵。当太空电梯碳纤维缆绳强度不超过8GPa时，把1吨月壤提升到嫦娥基地，至少要1.6万元。这就大大提高了建造太空飞船的铝、钛、钢的价格。如果太空电梯碳纤维缆绳的强度能达到48GPa，价格降到40万元/吨以下，提升1吨月瓖的成本就可降到2000元/吨以下。

碳纤维的强度能提高到现在的6倍吗？虽然碳纤维的理论强度达到了180GPa，但材料不可避免有缺陷，所以任何材料都达不到理论强度。但碳纤维强度与理论值相差这样大，是什么原因呢？当前景不明时，类比往往可以让人得到启发。

古人把冷空气直接鼓入炼铁炉，使铁矿石不能熔化为铁水，只能得到海绵铁。这些充满孔隙和夹杂的海绵铁，其强度甚至不如青铜。所以铁器发明后的很长一段时间内，人类还用青铜剑。而且留下了削铁如泥这个成语。

古人解决的方法是：对海绵铁反复加热缎打，把杂质挤出去，让海绵铁的空隙缩小，互相熔合为一个整体，这就是百炼成钢的出处。千锤百炼获得的金属强度，比海绵铁高得多。但与用钢水浇铸轧制得到的材料相比，又瞠乎其后。

阻碍海绵铁孔隙缩小的是铁中的夹杂；而阻碍邻近碳原子接近和熔合的是空气。军工行业为了生产高质量的炮管，采用真空电弧重熔的方法：在真空条件下，用电弧把合金钢熔成钢水，使钢材中原来夹杂的气体被抽离，从而大大增加钢材的强度。因此在生产碳纤维的过程中，加一道真空高温热轧工序，有可能大大提高碳纤维的强度。

如果在100个大气压下，将石墨加热到3200摄氏度，使它熔化为液态，然后浇铸热轧，其强度可能会更高。

碳纤维实质上是石墨的乱序结构。尽管单层石墨，即石墨烯，强度惊人，但因为石墨的层与层之间结合力太弱，所以石墨又是世上最软的固体之一。任何崩溃都是从最脆弱的部分开始的！在碳元素中加入其他元素，使石墨层与层之间的结合力增强。犹如在天然橡胶汁中加入硫黄，让橡胶分子通过硫原子塔桥，最后形成一个整体。结果肯定可以增加碳纤维的强度。这种方法还可用于多层石墨烯之间的结合问题，从而让石墨烯成为一种高强度材料。

天梯缆绳材料，目前以碳纤维的呼声最高。其实还有许多其他材料可供选择，如碳化硼纤维、碳化硅纤维、碳化铪纤维……都有可能打破现在的碳纤维强度记录。相信未来一定可以将材料的比强度向上提高一个台阶。