Hvad skal der til for at bygge et tårn så højt som det ydre rum?
det menneskelige ønske om at skabe stadig større og mere imponerende strukturer er umættelig. Pyramiderne i det gamle Egypten, Den Kinesiske Mur og Burj Khalifa i Dubai-nu den højeste bygning i verden på over 828 meter (2.722 fod)—er en konsekvens af at skubbe teknik til sine grænser. Men store bygninger er ikke kun monumenter til menneskelig ambition: de kan også holde nøglen til menneskehedens fremskridt i rumfaringstiden.
forslag cirkulerer nu for et fritstående tårn eller “rumelevator”, der kunne nå op i den geosynkrone bane rundt om jorden. Et sådant tårn ville være et alternativ til raketbaseret transport og drastisk reducere mængden af energi, det tager at komme ind i rummet. Udover det kan vi forestille os rumbaserede megastrukturer mange kilometer i størrelse, drevet af solenergi, måske omfattende hele planeter eller endda stjerner.
i de senere år har ingeniører været i stand til at bygge videre på større skalaer takket være styrken og pålideligheden af stoffer som nye stållegeringer. Men når vi kommer ind i megastrukturernes rige—dem på 1.000 km eller mere i dimension-er opretholdelse af sikkerhed og strukturel integritet blevet en djævelsk udfordring. Det skyldes, at jo større noget bliver, jo mere stress oplever det på grund af dets vægt og størrelse (“stress” er et mål for mekanisk spænding, som når du trækker noget bortset fra begge ender eller klemmer det sammen. “Styrke” er den maksimale spænding, en struktur kan modstå, før den går i stykker).
det viser sig, at biologisk design, udstyret med omkring 3,8 milliarder års erfaring, kan hjælpe med at løse dette puslespil. Før materialevidenskabens alder måtte ingeniører se på naturen for kreative tricks for at hjælpe dem med at overvinde begrænsningerne i deres materialer. Klassiske civilisationer suppede for eksempel deres krigsmaskiner med snoede sener lavet af dyrehud, som kunne strække sig og snappe tilbage for at starte projektiler mod fjenden. Men så ankom stoffer som stål og beton og blev successivt hårdere og lettere.
dette førte til en underdisciplin kendt som “pålidelighedsteknik.”Designere begyndte at lave strukturer, der var meget stærkere end den maksimale belastning, de havde brug for—hvilket betød, at belastningen på materialerne forblev inden for et interval, hvor sandsynligheden for brud var meget lav. Når strukturer bliver til megastrukturer, viser beregninger dog, at denne risikovillige tilgang sætter et loft på deres størrelse. Megastrukturer skubber nødvendigvis materialer til deres grænser og fjerner luksusen ved at forvitre behagelige niveauer af stress.
men hverken knogler eller sener i vores kroppe nyder denne luksus. Faktisk er de ofte komprimeret og strakt langt ud over det punkt, hvor deres underliggende stoffer kan forventes at bryde. Men disse komponenter i menneskelige kroppe er stadig meget mere ‘pålidelige’ end deres rene materielle styrke ville antyde. For eksempel, blot kører kan skubbe Achilles ‘ senen til over 75 procent af sin ultimative trækstyrke, mens vægtløftere kan opleve spændinger på over 90 procent af styrken af deres lumbal pigge, når de hefting hundredvis af kilo.
Hvordan håndterer biologi disse belastninger? Svaret er, at vores kroppe konstant reparerer og genbruger deres materialer. I sener udskiftes kollagenfibre på en sådan måde, at mens nogle er beskadiget, er den samlede sene sikker. Denne konstante selvreparation er effektiv og billig og kan ændre sig baseret på belastningen. Faktisk er alle strukturer og celler i vores kroppe i konstant omsætning; det anslås, at næsten 98 procent af atomerne i menneskekroppen udskiftes hvert år.
vi har for nylig anvendt dette selvreparationsparadigme for at se, om det er muligt at opbygge en pålidelig rumelevator med tilgængelige materialer. Et fælles foreslået design har et 91.000 km langt kabel (kaldet en tether), der strækker sig ud fra ækvator og afbalanceres af en modvægt i rummet. Tether ville bestå af bundter af parallelle fibre, svarende til kollagenfibre i sener eller osteoner i knogler, men lavet af Kevlar, et materiale, der findes i skudsikre og knivsikre veste.
ved hjælp af sensorer og kunstigt intelligent programmel ville det være muligt at modellere hele tether matematisk for at forudsige hvornår, hvor og hvordan fibrene ville gå i stykker. Og da de gjorde det, ville hurtige robotklatrere, der patruljerede op og ned på tether, erstatte dem og justere hastigheden for vedligeholdelse og reparation efter behov—efterligne følsomheden af biologiske processer. På trods af at vi arbejder med meget høj stress sammenlignet med, hvad materialer kan opretholde, viste vi, at denne struktur ville være pålidelig og ikke ville kræve ublu udskiftningshastigheder. Desuden blev den maksimale styrke, som materialet skulle have for at opnå en pålidelig struktur, skåret med imponerende 44 procent.
denne bioinspirerede tilgang til teknik kan også hjælpe strukturer hernede på jorden, såsom broer og skyskrabere. Ved at “udfordre” vores materialer og udstyre systemer med autonome reparations-og udskiftningsmekanismer kan vi overskride de nuværende begrænsninger og samtidig forbedre pålideligheden.
for at få en fornemmelse af fordelene ved at arbejde tættere på grænsen for trækstyrke, se på en hængebro, der involverer længder af ståltov, der dypper i midten. Den største hindring for at øge broens spændvidde er, at når vi bruger længere reb, bliver de tungere og går i stykker under deres egen vægt. Hvis rebet er strakt til ikke mere end 50 procent af sin samlede styrke, den maksimale spændvidde er omkring 4 km; men når den strækkes op til 90 procent af sin styrke, øges spændvidden dramatisk til mere end 7,5 km. At sikre, at kablet er sikkert, kræver dog, at stålfibre udskiftes i en finjusteret proces, ligesom i biologiske systemer.
Megastrukturer er ikke længere science fiction. Aldrig afskrækket af sammenbruddet af babelstårnet, som fortalt i Det Gamle Testamente, mennesker er fortsat med at bygge større og højere og hurtigere, drevet af enorme fremskridt inden for videnskab og teknologi. Men i henhold til standarderne for klassisk pålidelighedsteknik er vi stadig langt væk. I stedet har vi brug for et nyt paradigme, der ikke kun fokuserer på materiel styrke, men på systemernes iboende rekonstruktive kapacitet. Vi burde ikke se længere end det biologiske livs overflod omkring os og stole på, at der er meget at lære af den evolutionære historie.
denne artikel blev oprindeligt offentliggjort på Aeon og er blevet genudgivet under Creative Commons.
Billedkredit: Funny Solution Studio/. com