Was würde es brauchen, um einen Turm so hoch wie das Weltall zu bauen?
Der menschliche Wunsch, immer größere und eindrucksvollere Bauwerke zu schaffen, ist unersättlich. Die Pyramiden des alten Ägypten, die Chinesische Mauer und der Burj Khalifa in Dubai — heute mit über 828 Metern (2.722 Fuß) das höchste Gebäude der Welt — sind eine Folge davon, dass die Technik an ihre Grenzen stößt. Aber riesige Gebäude sind nicht nur Denkmäler menschlicher Ambitionen: Sie könnten auch den Schlüssel zum Fortschritt der Menschheit im Weltraumzeitalter darstellen.
Derzeit kursieren Vorschläge für einen freistehenden Turm oder „Weltraumaufzug“, der in die geosynchrone Umlaufbahn um die Erde reichen könnte. Ein solcher Turm wäre eine Alternative zum raketenbasierten Transport und würde die Energiemenge, die benötigt wird, um in den Weltraum zu gelangen, drastisch reduzieren. Darüber hinaus können wir uns weltraumgestützte Megastrukturen von vielen Kilometern Größe vorstellen, die mit Sonnenenergie betrieben werden und vielleicht ganze Planeten oder sogar Sterne umfassen.
In den letzten Jahren konnten Ingenieure dank der Festigkeit und Zuverlässigkeit von Substanzen wie neuartigen Stahllegierungen auf größeren Skalen bauen. Aber wenn wir in den Bereich der Megastrukturen eintreten – die von 1.000 km oder mehr Dimension -, ist die Aufrechterhaltung der Sicherheit und der strukturellen Integrität zu einer teuflischen Herausforderung geworden. Denn je größer etwas wird, desto mehr Stress erfährt es aufgrund seines Gewichts und seiner Größe („Stress“ ist ein Maß für mechanische Spannung, z. B. wenn Sie etwas von beiden Enden auseinanderziehen oder zusammendrücken. „Stärke“ ist die maximale Spannung, der eine Struktur standhalten kann, bevor sie bricht.
Es stellt sich heraus, dass biologisches Design, ausgestattet mit rund 3,8 Milliarden Jahren Erfahrung, zur Lösung dieses Rätsels beitragen könnte. Vor dem Zeitalter der Materialwissenschaften mussten Ingenieure in der Natur nach kreativen Tricks suchen, um die Einschränkungen ihrer Materialien zu überwinden. Klassische Zivilisationen zum Beispiel versorgten ihre Kriegsmaschinen mit verdrehten Sehnen aus Tierhäuten, die sich ausdehnen und zurückschnappen konnten, um Projektile auf den Feind abzufeuern. Doch dann kamen Stoffe wie Stahl und Beton hinzu, die sukzessive härter und leichter wurden.
Dies führte zu einer Unterdisziplin namens „Reliability Engineering.“ Die Konstrukteure begannen, Strukturen herzustellen, die viel stärker waren als die maximal mögliche Belastung, die sie tragen mussten — was bedeutete, dass die Belastung der Materialien in einem Bereich blieb, in dem die Bruchwahrscheinlichkeit sehr gering war. Sobald sich Strukturen jedoch in Megastrukturen verwandeln, zeigen Berechnungen, dass dieser risikoscheue Ansatz ihre Größe begrenzt. Megastrukturen bringen Materialien zwangsläufig an ihre Grenzen und beseitigen den Luxus, angenehme Belastungen zu überstehen.
Diesen Luxus genießen jedoch weder die Knochen noch die Sehnen in unserem Körper. Tatsächlich werden sie oft weit über den Punkt hinaus komprimiert und gedehnt, an dem erwartet werden könnte, dass ihre zugrunde liegenden Substanzen brechen. Doch diese Komponenten des menschlichen Körpers sind immer noch viel ‚zuverlässiger‘ als ihre schiere Materialstärke vermuten lässt. Zum Beispiel kann nur Laufen die Achillessehne auf über 75 Prozent ihrer Zugfestigkeit drücken, während Gewichtheber Belastungen von über 90 Prozent der Stärke ihrer Lendenwirbelsäule erfahren können, wenn sie Hunderte von Kilogramm heben.
Wie geht die Biologie mit diesen Belastungen um? Die Antwort ist, dass unser Körper seine Materialien ständig repariert und recycelt. In Sehnen werden Kollagenfasern so ersetzt, dass, während einige beschädigt sind, die gesamte Sehne sicher ist. Diese konstante Selbstreparatur ist effizient und kostengünstig und kann sich je nach Belastung ändern. In der Tat sind alle Strukturen und Zellen in unserem Körper in ständigem Wechsel; Es wird geschätzt, dass fast 98 Prozent der Atome im menschlichen Körper jedes Jahr ersetzt werden.
Wir haben kürzlich dieses Selbstreparatur-Paradigma angewendet, um zu sehen, ob es möglich ist, einen zuverlässigen Weltraumaufzug mit verfügbaren Materialien zu bauen. Ein häufig vorgeschlagenes Design besteht aus einem 91.000 km langen Kabel (Tether genannt), das sich vom Äquator aus erstreckt und durch ein Gegengewicht im Weltraum ausgeglichen wird. Das Haltegurt würde aus Bündeln paralleler Fasern bestehen, ähnlich wie Kollagenfasern in Sehnen oder Osteonen in Knochen, jedoch aus Kevlar, einem Material, das in kugelsicheren und messersicheren Westen vorkommt.
Mithilfe von Sensoren und künstlich intelligenter Software wäre es möglich, den gesamten Tether mathematisch zu modellieren, um vorherzusagen, wann, wo und wie die Fasern brechen würden. Und wenn sie es taten, würden schnelle Roboterkletterer, die den Tether auf und ab patrouillierten, sie ersetzen und die Wartungs— und Reparaturrate nach Bedarf anpassen – was die Empfindlichkeit biologischer Prozesse nachahmt. Trotz des Betriebs bei sehr hoher Belastung im Vergleich zu dem, was Materialien aushalten können, haben wir gezeigt, dass diese Struktur zuverlässig ist und keine exorbitanten Ersatzraten erfordert. Darüber hinaus wurde die maximale Festigkeit, die das Material für eine zuverlässige Struktur benötigen würde, um beeindruckende 44 Prozent reduziert.
Diese bioinspirierte Herangehensweise an die Technik kann auch Strukturen hier unten auf der Erde helfen, wie Brücken und Wolkenkratzer. Indem wir unsere Materialien „herausfordern“ und Systeme mit autonomen Reparatur- und Austauschmechanismen ausstatten, können wir die aktuellen Einschränkungen überschreiten und gleichzeitig die Zuverlässigkeit verbessern.
Um einen Eindruck von den Vorteilen eines Betriebs zu bekommen, der näher an der Grenze der Zugfestigkeit liegt, schauen Sie sich eine Hängebrücke an, bei der Stahlseillängen verwendet werden, die in die Mitte eintauchen. Die Haupthürde bei der Erhöhung der Spannweite der Brücke besteht darin, dass sie, wenn wir längere Seile verwenden, schwerer werden und unter ihrem eigenen Gewicht brechen. Wenn das Seil auf nicht mehr als 50 Prozent seiner Gesamtfestigkeit gedehnt wird, beträgt die maximale Spannweite etwa 4 km; aber wenn sie bis zu 90 Prozent ihrer Stärke gedehnt wird, erhöht sich die Spannweite dramatisch auf mehr als 7,5 km. Um jedoch sicherzustellen, dass das Kabel sicher ist, müssen Stahlfasern in einem fein abgestimmten Prozess ersetzt werden, genau wie in biologischen Systemen.
Megastrukturen sind keine Science Fiction mehr. Nie durch den Zusammenbruch des Turms von Babel davon abgehalten, wie im Alten Testament erzählt, haben die Menschen weiterhin größer und höher und schneller zu bauen, angetrieben von enormen Fortschritten in Wissenschaft und Technologie. Doch nach den Maßstäben der klassischen Zuverlässigkeitstechnik sind wir noch weit entfernt. Stattdessen brauchen wir ein neues Paradigma, das sich nicht nur auf die Materialfestigkeit konzentriert, sondern auch auf die inhärenten Rekonstruktionsfähigkeiten von Systemen. Wir sollten nicht weiter als die Fülle des biologischen Lebens um uns herum suchen und darauf vertrauen, dass es viel aus dem Schwung der Evolutionsgeschichte zu lernen gibt.
Dieser Artikel wurde ursprünglich bei Aeon veröffentlicht und unter Creative Commons erneut veröffentlicht.
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