co by bylo potřeba postavit věž tak vysokou jako vesmír?
lidská touha vytvářet stále větší a působivější struktury je nenasytná. Pyramidy starověkého Egypta, Velká čínská zeď a Burj Khalifa v Dubaji-nyní nejvyšší budova na světě na více než 828 metrech (2,722 ft) – jsou důsledkem posunutí inženýrství na jeho hranice. Obrovské budovy však nejsou jen památníky lidských ambicí: mohou být také klíčem k pokroku lidstva ve vesmírném věku.
nyní obíhají návrhy na volně stojící věž nebo „vesmírný výtah“, který by mohl dosáhnout až na geosynchronní oběžnou dráhu kolem Země. Taková věž by byla alternativou k raketové dopravě a drasticky by snížila množství energie potřebné k tomu, aby se dostala do vesmíru. Kromě toho si můžeme představit vesmírné megastruktury o velikosti mnoha kilometrů, poháněné sluneční energií, možná zahrnující celé planety nebo dokonce hvězdy.
v posledních letech byli inženýři schopni stavět na větších stupnicích díky síle a spolehlivosti látek, jako jsou nové slitiny oceli. Ale když vstupujeme do říše megastruktur-dimenzí 1000 km nebo více -, udržování bezpečnosti a strukturální integrity se stalo ďábelskou výzvou. Je to proto, že čím větší se něco stane, tím více stresu zažívá kvůli své hmotnosti a velikosti („stres“ je měřítkem mechanického napětí, jako když něco vytáhnete od jednoho konce nebo jej stlačíte dohromady. „Síla“ je maximální napětí, které struktura vydrží, než se rozbije).
ukazuje se, že biologický design, vybavený přibližně 3, 8 miliardami let zkušeností, by mohl pomoci vyřešit tuto hádanku. Před věkem vědy o materiálech museli inženýři hledat kreativní triky, které jim pomohou překonat omezení jejich materiálů. Klasické civilizace například nadupaly své válečné stroje zkroucenými šlachy vyrobenými ze zvířecích kůží, které se mohly rozšířit a zaklapnout a vystřelit projektily na nepřítele. Ale pak přišly látky jako ocel a beton a postupně se staly tvrdšími a lehčími.
to vedlo k dílčí disciplíně známé jako “ spolehlivost inženýrství.“Konstruktéři začali vyrábět konstrukce, které byly mnohem silnější než maximální možné zatížení, které museli nést—což znamenalo, že napětí na materiálech zůstalo v rozmezí, kde byla pravděpodobnost zlomení velmi nízká. Jakmile se struktury změní na megastruktury, ačkoli, výpočty ukazují, že tento přístup proti riziku omezuje jejich velikost. Megastruktury nutně tlačí materiály na jejich hranice a odstraňují luxus zvětrávání pohodlných úrovní stresu.
kosti ani šlachy v našem těle si však tento luxus užívají. Ve skutečnosti jsou často stlačeny a nataženy daleko za bod, ve kterém lze očekávat, že se jejich základní látky zlomí. Přesto jsou tyto složky lidských těl stále mnohem „spolehlivější“, než by naznačovala jejich naprostá materiální síla. Například pouhý běh může tlačit Achillovy šlachy na více než 75 procent své maximální pevnosti v tahu, zatímco vzpěrači mohou zažít napětí přes 90 procent síly jejich bederních trnů, když hefting stovky kilogramů.
jak biologie zvládne tyto zátěže? Odpověď je, že naše těla neustále opravují a recyklují své materiály. V šlachách jsou kolagenová vlákna nahrazena tak, že zatímco některé jsou poškozené, celková šlacha je bezpečná. Tato neustálá samooprava je efektivní a levná a může se měnit na základě zatížení. Ve skutečnosti jsou všechny struktury a buňky v našem těle v neustálém obratu; odhaduje se, že téměř 98 procent atomů v lidském těle se každý rok nahrazuje.
nedávno jsme použili toto paradigma opravy, abychom zjistili, zda je možné postavit spolehlivý vesmírný výtah s dostupnými materiály. Společný návrh je vybaven 91,000 km dlouhým kabelem (nazývaným postroj), vyčnívajícím z rovníku a vyváženým protizávažím v prostoru. Postroj by sestával ze svazků paralelních vláken, podobných kolagenovým vláknům v šlachách nebo osteonech v kostech, ale vyrobených z Kevlaru, materiálu nalezeného v neprůstřelných vestách a vestách odolných proti noži.
pomocí senzorů a uměle inteligentního softwaru by bylo možné matematicky modelovat celé postroje tak, aby bylo možné předpovědět, kdy, kde a jak se vlákna zlomí. A když to udělali, nahradili by je rychlí robotičtí horolezci hlídkující nahoru a dolů po postroji, podle potřeby upravovali rychlost údržby a oprav-napodobovali citlivost biologických procesů. Navzdory velmi vysokému namáhání ve srovnání s tím, co materiály vydrží, ukázali jsme, že tato struktura bude spolehlivá a nebude vyžadovat přemrštěné míry výměny. Navíc maximální pevnost, kterou by materiál potřeboval k dosažení spolehlivé struktury, byla snížena o působivých 44 procent.
tento bioinspirovaný přístup k inženýrství může také pomoci stavbám zde na Zemi, jako jsou mosty a mrakodrapy. „Náročností“ našich materiálů a vybavením systémů autonomními opravnými a výměnnými mechanismy můžeme překročit současná omezení a zároveň zlepšit spolehlivost.
Chcete – li získat představu o výhodách provozu blíže k hranici pevnosti v tahu, podívejte se na visutý most, zahrnující délky ocelového lana, které se ponoří uprostřed. Hlavní překážkou pro zvýšení rozpětí mostu je to, že když používáme delší lana, stávají se těžšími a lámou se pod vlastní vahou. Pokud je lano nataženo na více než 50% jeho celkové pevnosti, maximální rozpětí je asi 4 km; když se však natáhne až na 90 procent své síly, rozpětí se dramaticky zvětší na více než 7,5 km. Zajištění bezpečnosti kabelu však bude vyžadovat výměnu ocelových vláken v jemně vyladěném procesu, stejně jako v biologických systémech.
Megastruktury již nejsou sci-fi. Nikdy neodradilo zhroucení Babylonské věže, jak je líčeno ve Starém zákoně, lidé pokračovali v budování větších a vyšších a rychlejších, poháněných obrovským pokrokem ve vědě a technologii. Přesto jsme podle standardů klasického spolehlivostního inženýrství stále daleko. Místo toho potřebujeme nové paradigma, které se nezaměřuje pouze na materiální sílu, ale na inherentní rekonstrukční kapacity systémů. Neměli bychom se dívat dál než na štědrost biologického života kolem nás a věřit, že se z evoluční historie můžeme hodně naučit.
tento článek byl původně publikován na Aeon a byl znovu publikován pod Creative Commons.
kredit na obrázek: Funny Solution Studio/. com