在科幻作品中，太空电梯常常作为连接地球与宇宙的梦幻桥梁出现。无需火箭助推，人们只需搭乘电梯，便能轻松抵达浩瀚太空。这一看似天马行空的设想，实则有着严谨的科学原理支撑。
太空电梯的构建设想，是将一根超长缆绳一端固定在赤道地面，另一端连接位于地球同步轨道的空间站，并在更远处设置配重。当地球自转时，缆绳在向上的离心力与向下的重力共同作用下保持紧绷状态，电梯厢便可沿着缆绳在天地间往返穿梭。
其实，早在1895年，就有科学家提出了建造直达太空“天梯”的大胆设想。然而，历经百年，这一设想依旧大多停留在想象层面，其关键阻碍在于寻找一种足够强韧的缆绳材料。太空电梯缆绳需同时承受巨大的重力和离心力，对材料的抗拉强度要求近乎苛刻。
1991年，碳纳米管的发现为太空电梯研究带来了新的希望。碳纳米管是一种由碳原子按六边形蜂窝状结构排列而成的中空管状材料，直径仅几纳米到几十纳米。尽管身形微小，但它却是人类迄今发现的力学性能极为出色的材料之一。理论上，单壁碳纳米管的抗拉强度可超过100吉帕，是优质钢材的数百倍；其杨氏模量高达1太帕，极难被拉伸变形。而且，它的密度仅为钢的1/4左右，单位质量的强度极高。
为了让碳纳米管从实验室走向太空电梯的实际应用，中国科学家展开了不懈探索。清华大学化学工程系反应工程团队长期致力于碳纳米管材料的可控制备与应用研究，致力于攻克材料难题。
突破长度极限是首要任务。在实际制备中，碳纳米管长度通常只有几十微米，且内部存在大量结构缺陷，导致实际强度远低于理论值。2013年，该研究团队通过提高催化剂活性概率，成功制备出单根长度超过半米的碳纳米管，为超长碳纳米管的规模化制备奠定了坚实基础。
研究团队还积极探索组装“超强”纤维的方法。单根碳纳米管虽强，却无法直接用作缆绳，需要将众多碳纳米管“拧”成宏观纤维。2018年，清华大学化工系与航院团队在《自然·纳米技术》发表论文称，采用气流聚焦法，制备出厘米级超长碳纳米管管束，其拉伸强度达到80吉帕以上。
太空电梯缆绳需承受反复拉伸，必须具备“百折不断”的特性。2020年，研究团队在《科学》杂志发表论文，首次通过实验测试了单根碳纳米管的抗疲劳性能，发现碳纳米管可被连续拉伸上亿次而不发生断裂，去掉载荷后仍能保持初始的超高强度。
尽管碳纳米管研究已取得显著进展，但距离真正建造太空电梯仍有诸多挑战。规模化制备便是其中之一，目前实验室能制备的超长碳纳米管长度在半米至米级，而太空电梯缆绳需要达到数万公里。太空环境也是严峻考验，缆绳需穿越地球大气层，要经受风雨雷电的洗礼，还要在太空中抵御高能宇宙射线和原子氧的腐蚀。
除了缆绳问题，太空电梯还涉及基座建设、电梯厢动力系统等复杂的工程难题，这些都需要跨学科协作才能解决。
