【独家揭秘】美国NASA在石墨烯领域的深度布局与创新突破

引言：当“材料之王”遇见星辰大海

近年来，石墨烯以其“材料之王”的特性成为全球科技竞争的制高点。美国国家航空航天局（NASA）在石墨烯领域展开了一系列深入研究与创新项目，超过100个石墨烯相关项目已从实验室走向深空。

这种厚度仅为一个原子的二维材料，正以惊人的速度渗透到太空科技的每个角落，从能源存储到电子设备，从传感器到结构材料：它能承受460°C的金星炼狱，为探测器续命数月；它能编织出比钢铁强200倍的“纳米盔甲”，让航天器减重80%；甚至，它可能成为人类在火星上制造氧气和净水的秘密武器……石墨烯不是未来科技，它正在定义未来！（本文对美国国家航空航天局（NASA）自 2010 年起直至当下，在石墨烯领域所资助支持的众多项目展开了全面且深入的系统分析，还充分结合了相关的前沿消息精心整理而成。全文约5000字，阅读完需12分钟）

详情介绍

根据NASA官方公布的数据统计分析，截至目前，美国NASA共计对101项石墨烯相关项目给予资金支持。目前还有两个项目仍在进行中，预计到2027年结题。NASA历年对石墨烯项目支持情况如下图所示：

一、NASA主要布局的目标应用领域

美国NASA对于石墨烯材料的支持主要围绕行星科学任务、载人航天、深空探测、空间站与卫星等目标应用领域开展布局：

• 行星科学任务：用于金星、火星、木卫二等极端环境的探测仪器（如Project 94421）。
• 载人航天：宇航员健康监测、舱内环境控制（如Project 97106）。
• 深空探测：太阳能帆推进技术（如Project 146583）、深空通信系统（如Project 91550）。
• 空间站与卫星：轻量化结构材料、抗辐射电子设备（如Project 11526）。

其中，TX08.1.1  探测器和焦平面（Detectors and Focal Planes ）是多年来的核心领域（尤其在2016-2022年间占比显著），储能（TX03.2.1）和轻质材料（TX12.1.1）也是长期重点支持领域。

图1 目标目的地

图2 跨领域技术目的地

图3 技术领域

PS（各技术领域代号）：TX01推进系统  、TX02飞行计算和航空电子 、TX03    航天动力和能源储存、TX05 通信、导航和轨道碎片跟踪和表征系统、TX06 人类健康、生命支持和居住系统、TX07 探索目的地系统、TX08传感器和仪器、TX12制造，材料和结构、TX14热管理系统

二、时间线揭秘：NASA的石墨烯布局如何步步为营

• 2010-2015年：基础研究阶段，聚焦材料性能测试（如TX12.1.1）；
• 2016-2020年：技术转化期，启动电池、传感器等应用项目（如TX03.2.1、TX08.3.4）；
• 2021年至今：规模化验证，多款原型设备进入太空实测（如Artemis登月计划相关载荷）。

图4 技术成熟度

三、技术突破：石墨烯如何破解太空“不可能三角”

太空探索的终极难题，是同时实现轻量化、高性能与极端环境耐受性。而石墨烯的登场，让NASA找到了破局之钥。

1. 传感器：在金星表面“呼吸”的电子鼻

传感器技术是航天领域的重要组成部分，NASA在石墨烯传感器的研发上也取得了重要成果。石墨烯传感器具有高灵敏度和高选择性，能够检测各种气体和化学物质，为航天器的环境监测和生命支持系统提供了可靠的技术支持。此外，石墨烯传感器还具有良好的稳定性和抗干扰能力，能够在极端环境下正常工作，为航天任务的安全性提供了有力保障。

项目案例：

• Project 146185（石墨烯频率倍增器）：金星表面温度高达460°C，传统硅基电子设备几分钟内就会熔化。NASA格伦研究中心的团队将石墨烯与碳化硅（SiC）结合，开发出能在金星环境中稳定运行的通信系统。石墨烯的高频响应特性，使得探测器能以100MHz频率传回数据——这相当于在火山口直播4K视频。“没有石墨烯，我们甚至无法听到金星的心跳。”——项目负责人Robert Romanofsky

其他项目案例：

• 化学传感器：开发高灵敏度石墨烯传感器，用于检测气体、挥发性分子（如Project 11798、14754）。
• 辐射探测器：基于石墨烯场效应晶体管（GFET）的辐射传感器（如Project 11816）。
• 环境监测：用于极端环境（如金星表面高温）的传感器（如Project 146185）。

“2D Materials for Energy Harvesting and Sensing” 项目专注于利用二维材料（包括石墨烯）设计和制造自供电传感器。项目将开发标准、清洁且可重复的二维材料处理工艺，建立计算模型预测材料性能变化，并分别进行化学传感器和能量收集装置的研发，最终实现两者的集成。这种自供电传感系统可应用于监测航天器结构完整性、采样外星环境化学物质或跟踪宇航员健康状况等多个方面，有望为太空探索提供无处不在的传感能力。

2. 能源革命：从“电池焦虑”到“无限续航”

NASA在能源存储领域取得了显著进展，特别是在高性能电池和超级电容器的研发上。例如，通过将石墨烯与金属氧化物结合，开发出的新型电池电极材料不仅提高了电池的能量密度，还显著提升了其循环稳定性。此外，石墨烯基超级电容器的研究也取得了突破，这些超级电容器具有高能量密度和高功率密度，能够在短时间内存储和释放大量电能，为航天器的能源管理提供了新的解决方案。

• 电化学储能：石墨烯电池或成深空探索“续航王牌”

“TX03.2.1 Electrochemical Storage: Batteries”（电化学存储：电池）自2012年起多次立项，2023年仍被列为重点。

突破方向：传统锂离子电池在极端温度下性能骤降，而石墨烯电池可在-50°C至120°C稳定工作，充电速度提升5倍。NASA已与麻省理工学院合作，研发用于月球夜间供电的固态石墨烯电池。

战略意义：为载人火星任务、深空站长期驻留提供可靠能源保障。

项目案例

• 电池技术：石墨烯阴极用于锂离子电池（如Project 9222）；超级电容器：Project 13731（柔性石墨烯储能装置）传统锂离子电池在-100°C的深空会彻底失效。肯尼迪航天中心开发的石墨烯超级电容器，不仅能在-150°C至200°C工作，还可像布料一样折叠，为宇航服供电。
• 太阳能技术：石墨烯透明导电电极用于太阳能帆Project 146583（石墨烯-聚酰亚胺复合膜）这种厚度仅2微米的“宇宙风帆”，强度比传统材料高50倍，能让探测器以50天文单位/年的速度飞向太阳系边缘。想象一下：用一张A4纸大小的材料，驱动卡车大小的探测器！

在太阳能相关项目里，石墨烯同样发挥着关键作用。“25X Fresnel Lens Photovoltaic Concentrator for Deep Space Missions” 和 “25x Space Fresnel Lens Concentrator Using 4 (+) Junction IMM Solar Cells and Nyctinastic Graphene Radiators to Mitigate LILT Effects for Outer Planet Missions” 这两个项目中，都应用了石墨烯散热片来散发太阳能电池的废热。特别是后一个项目，采用了受生物启发的 nyctinastic 石墨烯散热器，能像花朵在夜晚闭合一样，在深空环境中减少电池温度的急剧下降，有效缓解了传统阵列的低温（LT）问题。这种创新设计不仅提高了太阳能电池的效率，还降低了成本和质量，为深空探测的能源供应提供了更优方案。

能量收集：如“NASA EPSCoR: Theory – Guided Innovation of High – Performance All – Solid – State Batteries for NASA Exploration Missions” 项目，该项目旨在开发高性能二氧化碳（CO₂）催化剂和固态电解质（SSEs），以加速固态锂二氧化碳（SSLCB）电池的发展，用于太空探索任务的能量存储。在材料选择上，明确偏好基于石墨烯和多孔石墨烯的单原子催化剂。借助大数据驱动的材料基因组方法，快速筛选和发现有前景的材料，将理论建模与实验合成紧密结合。一旦成功，有望极大提升太空任务中能源存储设备的性能，为长期深空探索提供更可靠的能源保障。

3. 结构材料：打造“钢铁侠”级的航天器

• 轻量化材料（石墨烯助力航天器“减重强身”）：“TX12.1.1 Lightweight Structural Materials”（轻质结构材料）出现频率高达8次，覆盖2010至2023年，是NASA长期投入的核心领域。

技术亮点：石墨烯的强度是钢的200倍，重量却极轻，可大幅提升航天器的载荷效率。NASA近年测试的月球车原型、深空探测器外壳中，已尝试融入石墨烯复合材料，目标降低30%重量的同时增强抗辐射能力。

未来应用：火星基地建设、可重复使用火箭外壳等场景或将优先受益。

项目案例：

石墨烯增强复合材料用于航天器结构（如Project 101956、9898）通过将石墨烯嵌入碳纤维复合材料，NASA将火箭燃料罐的裂纹抵抗能力提升42%，重量却减少30%。未来，这或使火星飞船的运载成本直降数亿美元。

此外，在低温应用方面：石墨烯-聚合物纳米复合材料可用于低温燃料储罐（如Project 9898）。

四、深空任务案例：石墨烯的六大高光时刻

1. 木卫二冰下海洋的“化学猎手”

Project 94421开发的毫米波石墨烯传感器，能穿透数公里冰层，探测到浓度仅ppb级的有机分子——这相当于在西湖中精准定位一滴墨水。

2. 火星基地的“生命维持网”

Project 146880利用石墨烯膜过滤系统，可将宇航员尿液转化为饮用水的效率提升至99.8%，且无需更换滤芯——这是迈向永久火星定居的关键一步。

3. 抗辐射“电子铠甲”

Project 11526研发的石墨烯非易失性存储器，在经历100万拉德辐射（相当于核爆现场）后仍能正常工作，彻底改写太空电子设备的防护逻辑。

4. 量子通信的“光之桥”

哥伦比亚大学与NASA合作的Project 91550，利用石墨烯-硅光子芯片，将深空通信速率提升至太比特/秒。未来，从火星传回一部蓝光电影只需1秒！

5. 太空3D打印的“魔法墨水”

Project 93983开创的石墨烯3D打印技术，可直接在太空舱内制造传感器、天线甚至太阳能板——NASA形容这是“用星尘铸造工具”。

6. 太阳系高速公路的“引力弹弓”

Project 125790研发的石墨烯-聚乙烯太阳帆，厚度仅2.5微米却比凯夫拉纤维更坚韧，未来或帮助探测器无需燃料即可跨越星际。

五、其他技术方向布局

1、石墨烯在通信与电子设备中的应用

在电子设备领域，NASA的研究团队致力于将石墨烯应用于高频电子设备和柔性电子设备中。石墨烯的高电子迁移率使其成为制造高频电子设备的理想材料，能够显著提升设备的性能和速度。同时，石墨烯的柔韧性和可弯曲性为柔性电子设备的发展提供了新的可能性，这些设备在未来的太空探索中将发挥重要作用，如可穿戴设备和柔性传感器等。

• 高频通信：石墨烯频率倍增器用于高温通信系统（如Project 146185）。
• 光子器件：石墨烯激光器和光探测器（如Project 10744、14744）。
• 天线技术：柔性石墨烯相控阵天线（如Project 18112）。

项目案例：

智能仪器的石墨烯革新：“Realization of intelligent instruments through the integration of neuromorphic devices with gas sensors enabled by two – dimensional materials” 项目则聚焦于智能仪器的设计革新。该项目提出通过使用包括石墨烯在内的纳米材料，将神经形态设备与化学传感器集成，打造全新的智能仪器范式。在项目任务中，对基于原子级薄的石墨烯的化学晶体管进行制造、功能化和基准测试，通过引入第三栅极端子，在大幅提升传感器耐久性的同时降低功耗。还计划利用基于硬件的机器学习算法，进一步提高传感平台的选择性。这一项目若取得成功，将为未来太空科学仪器带来智能化的飞跃，使其能够更高效地完成各种探测任务。

2、生命支持与环境控制

• 水处理：石墨烯膜用于太空舱水回收（如Project 146880）。
• 空气净化：石墨烯基过滤材料去除二氧化碳（如Project 95563）。

六、合作模式——产学研联盟：NASA的石墨烯“宇宙战队”

NASA的石墨烯版图绝非单打独斗，而是一张横跨学界、企业界的创新网络：

• 学术界：例如麻省理工学院主导柔性电子（Project 93927）、西北大学攻坚辐射防护（Project 11526）。
• 企业伙伴：例如结构化材料公司（SMI）研发石墨烯导线，导电率超铜30%，重量却轻如鸿毛；Mark O’Neill LLC设计出25倍聚光太阳能系统，效率突破35%，成本仅为传统卫星电池的1/5。
• NASA中心协同：戈达德中心专注传感器，格伦中心专攻高温器件，喷气推进实验室（JPL）则化身“外星环境测试场”。

图5 NASA外部合作伙伴占比图，其中在NASA的外部合作伙伴中来自学术界和产业界占比超过80%。

图6牵头和支持组织

PS（NASA内部机构缩写）：ARMD（Aeronautics Research Mission Directorate）：航空研究任务理事会；ESDMD（Earth Science Division of the Science Mission Directorate ）：科学任务理事会下属的地球科学部；MSD（通常指 Microgravity Sciences Division ）：微重力科学部；SMD（Science Mission Directorate）：科学任务理事会；STMD（Space Technology Mission Directorate）：空间技术任务理事会；

七、未来展望：石墨烯将如何改写宇宙规则？

1. 2040愿景：从材料到生态系统

NASA正在规划“石墨烯闭环”：用火星大气中的CO₂制备石墨烯，再3D打印成基地建材、能源设备和生命维持系统——这或使火星殖民摆脱地球供应链。

2. 突破物理极限的“超材料”

量子传感器：Project 156342将石墨烯与神经形态计算结合，打造能自主识别外星生命的“AI鼻子”。

时空探测：理论显示，石墨烯的超导特性可能用于制造微型引力波探测器，灵敏度比现有设备高1000倍。

3. 地球反哺：太空科技拯救蓝色家园

NASA研发的石墨烯海水淡化膜（Project 102228）已在地球灾区试用，1平方米膜每天可净化10吨水；而源自太阳帆技术的石墨烯建筑膜，正在迪拜建造零能耗“未来之城”。

结语：人类的下一场材料革命，始于星辰之间

当SpaceX的火箭回收技术吸引全球目光时，NASA已在材料科学的“隐形战场”上悄然布下一盘大棋，今天的NASA正用石墨烯编织宇宙级的创新网络。从某种意义上说，石墨烯不仅是材料科学的突破，更是人类挣脱物理桎梏、重构生存边疆的宣言。石墨烯，这一厚度仅一个原子的奇迹材料，或许将成为人类登陆火星、建立月球基地的关键拼图。而它的故事，才刚刚开始。