Uhlíkové nanotrubičky nejsou dobrým materiálem pro vesmírný výtah

Ambiciozní plán vesmírného výtahu

Jejich zjištění se týká konkrétně stability uhlíkových nanotrubiček. Tento materiál byl přitom prakticky donedávna hlavním kandidátem pro stavbu vesmírného výtahu. Připomeňme si, že toto zařízení v podobě dlouhého lana by mělo podle teoretického konceptu (zcela bez použití raket) dopravovat lidi a náklady mezi povrchem Země a geosynchronní drahou ve výši asi 36 tisíc kilometrů nad Zemí.

Z důvodu statické a dynamické rovnováhy by ovšem výtah musel být ještě o několik desítek tisíc kilometrů delší. Jeho stavba i provoz by ovšem přinášely tak obrovské namáhání uvnitř lana (kolem 50 gigapascalů - GPa), že naprostá většina všech myslitelných nebo známých materiálů nepřichází v úvahu, nemluvě o obrovské hmotnosti samotného lana (tzv. tržná délka většiny v současné době používaných materiálů je menší než 10 km).

Jako materiály, dostatečně lehké a zároveň extrémně pevné, jsou zpravidla uvažována vlákna na bázi nanostruktur, zejména uhlíkových nanotrubiček. Jedna uhlíková nanotrubička má sice teoretickou mez pevnosti 100 gigapascalů, vlákno z nich v praxi spletené má však již pevnost asi 100x menší. Proč tomu tak je? Protože uhlíkové nanotrubičky ve skutečnosti obsahují spoustu atomárních defektů, což má zničující vliv na jejich pevnost.

Co jsou uhlíkové nanotrubičky?

Podstatu tohoto nanomateriálu si dobře objasníme tak, že začneme jiným podobným nanomateriálem - grafenem. Grafen je speciální uhlíková nanostruktura, která je uspořádána na úrovni jednotlivých atomů v měřítku nanometrů. Připomíná velmi jemné šestiúhelníkové a pravidelně srovnané rovinné pletivo, v jehož uzlech se nacházejí jednotlivé atomy uhlíku. Tloušťka této jednoatomární vrstvy činí jen asi jednu třetinu nanometru.

Mezi zajímavé teoretické vlastnosti grafenu patří jeho vynikající mechanické, elektronické, tepelné a optické parametry, které otevírají cestu k novým výrobkům a aplikacím. Uhlíkové nanotrubičky jsou také tvořeny podobným nanopletivem, avšak srolovaným, tedy uspořádaným do tvaru nanoválců.

V čem jsou uhlíkové nanotrubičky problematické?

Stručně řečeno, materiály na bázi uhlíkových nanotrubiček by sice mohly být teoreticky velmi pevné, zároveň jsou však extrémně mechanicky nestabilní vůči strukturálním nepřesnostem a jejich pevnost i integrita proto snadno kolabují.

Dokonce i počáteční drobné poruchy jejich struktury v měřítku několika atomů by pravděpodobně vedly k drastickému snížování jejich pevnosti a k řetězovému množení poruch.

Fakticky by mohla stačit i pouhá malá odchylka jednoho atomu uvnitř struktury jejich stěn, aby se pevnost uhlíkových nanotrubiček zhroutila z teoretické hodnoty 100 GPa na 40 Gpa. V praxi je ovšem velmi těžké vyrobit dlouhé úseky uhlíkových nanotrubiček zcela bez strukturních chyb. Samotná kontrola bezchybnosti lana o délce vesmírného výtahu by trvala velmi dlouho.

Řešením je tedy buď podstatné zlepšení kvality při výrobě uhlíkových nanotrubiček, změna technologické strategie vesmírného výtahu nebo nalezení jiného vhodného materiálu. Nic z toho ovšem nebude jednoduché.

Zdroje: New Scientist, Popular Science, ACS Nano