¿Qué Se Necesitaría para Construir una Torre tan Alta como el Espacio Exterior?
El deseo humano de crear estructuras cada vez más grandes e impresionantes es insaciable. Las pirámides del Antiguo Egipto, la Gran Muralla China y el Burj Khalifa en Dubai, ahora el edificio más alto del mundo con más de 828 metros (2.722 pies), son una consecuencia de llevar la ingeniería a sus límites. Pero los edificios enormes no son solo monumentos a la ambición humana: también podrían ser la clave del progreso de la humanidad en la era espacial.
Ahora circulan propuestas para una torre independiente o» elevador espacial » que podría alcanzar la órbita geosincrónica alrededor de la tierra. Una torre de este tipo sería una alternativa al transporte basado en cohetes, y reduciría drásticamente la cantidad de energía que se necesita para llegar al espacio. Más allá de eso, podemos imaginar megaestructuras basadas en el espacio de muchos kilómetros de tamaño, impulsadas por energía solar, tal vez abarcando planetas enteros o incluso estrellas.
En los últimos años, los ingenieros han sido capaces de construir en escalas más grandes gracias a la resistencia y fiabilidad de sustancias como las nuevas aleaciones de acero. Pero a medida que entramos en el reino de las megaestructuras, de 1.000 km o más de dimensión, mantener la seguridad y la integridad estructural se ha convertido en un desafío diabólico. Esto se debe a que cuanto más grande se hace algo, más estrés experimenta debido a su peso y tamaño (el»estrés» es una medida de tensión mecánica, como cuando separas algo de cualquiera de los extremos o lo aprietas. «Fuerza» es la tensión máxima que una estructura puede soportar antes de que se rompa).
Resulta que el diseño biológico, equipado con alrededor de 3,8 mil millones de años de experiencia, podría ayudar a resolver este rompecabezas. Antes de la era de la ciencia de los materiales, los ingenieros tenían que buscar trucos creativos en la naturaleza para ayudarlos a superar las restricciones de sus materiales. Las civilizaciones clásicas, por ejemplo, alteraban sus máquinas de guerra con tendones retorcidos hechos de pieles de animales, que podían extenderse y retroceder para lanzar proyectiles al enemigo. Pero luego llegaron sustancias como el acero y el hormigón, y se volvieron sucesivamente más resistentes y livianas.
Esto llevó a una subdisciplina conocida como «ingeniería de confiabilidad».»Los diseñadores comenzaron a fabricar estructuras que eran mucho más resistentes que la carga máxima posible que necesitaban soportar, lo que significaba que la tensión en los materiales se mantenía dentro de un rango donde la probabilidad de rotura era muy baja. Sin embargo, una vez que las estructuras se convierten en megaestructuras, los cálculos muestran que este enfoque de aversión al riesgo limita su tamaño. Las megaestructuras necesariamente llevan los materiales a sus límites y eliminan el lujo de soportar cómodos niveles de estrés.
Sin embargo, ni los huesos ni los tendones de nuestro cuerpo disfrutan de este lujo. De hecho, a menudo se comprimen y estiran mucho más allá del punto en el que se espera que se rompan sus sustancias subyacentes. Sin embargo, estos componentes de los cuerpos humanos siguen siendo mucho más «confiables» de lo que su pura fuerza material sugeriría. Por ejemplo, simplemente correr puede empujar el tendón de Aquiles a más del 75 por ciento de su resistencia a la tracción final, mientras que los levantadores de pesas pueden experimentar tensiones de más del 90 por ciento de la fuerza de sus espinas lumbares, cuando pesan cientos de kilogramos.
¿Cómo maneja la biología estas cargas? La respuesta es que nuestros cuerpos constantemente reparan y reciclan sus materiales. En los tendones, las fibras de colágeno se reemplazan de tal manera que, mientras que algunas están dañadas, el tendón en general es seguro. Esta reparación automática constante es eficiente y económica, y puede cambiar en función de la carga. De hecho, todas las estructuras y células de nuestro cuerpo están en constante renovación; se estima que casi el 98 por ciento de los átomos en el cuerpo humano se reemplazan cada año.
Recientemente aplicamos este paradigma de autorreparación para ver si es posible construir un elevador espacial confiable con los materiales disponibles. Un diseño común propuesto cuenta con un cable de 91.000 km de largo (llamado tether), que se extiende desde el ecuador y se equilibra con un contrapeso en el espacio. La correa consistiría en haces de fibras paralelas, similares a las fibras de colágeno en los tendones u osteones en los huesos, pero hechas de Kevlar, un material que se encuentra en chalecos antibalas y antibalas.
Utilizando sensores y software de inteligencia artificial, sería posible modelar toda la correa matemáticamente para predecir cuándo, dónde y cómo se romperían las fibras. Y cuando lo hicieron, escaladores robóticos veloces que patrullaban arriba y abajo de la correa los reemplazaban, ajustando la tasa de mantenimiento y reparación según fuera necesario, imitando la sensibilidad de los procesos biológicos. A pesar de operar con un esfuerzo muy alto en comparación con lo que los materiales pueden soportar, demostramos que esta estructura sería confiable y no exigiría tasas exorbitantes de reemplazo. Además, la resistencia máxima que el material necesitaría poseer para lograr una estructura confiable se redujo en un impresionante 44 por ciento.
Este enfoque de ingeniería de inspiración biológica también puede ayudar a las estructuras aquí en la Tierra, como puentes y rascacielos. Al «desafiar» nuestros materiales y equipar los sistemas con mecanismos autónomos de reparación y reemplazo, podemos superar las limitaciones actuales y mejorar la confiabilidad.
Para tener una idea de los beneficios de operar más cerca del límite de resistencia a la tracción, mire un puente colgante, que involucra longitudes de cuerda de acero que se sumergen en el medio. El principal obstáculo para aumentar el vano del puente es que, a medida que usamos cuerdas más largas, se vuelven más pesadas y se rompen por su propio peso. Si la cuerda se estira hasta no más del 50% de su resistencia total, el tramo máximo es de aproximadamente 4 km; pero cuando se extiende hasta el 90 por ciento de su fuerza, el tramo aumenta drásticamente a más de 7,5 km. Sin embargo, garantizar que el cable sea seguro requerirá que las fibras de acero se reemplacen en un proceso ajustado, al igual que en los sistemas biológicos.
Las megaestructuras ya no son ciencia ficción. Nunca disuadidos por el colapso de la Torre de Babel, como se relata en el Antiguo Testamento, los seres humanos han seguido construyendo más grandes, más altos y más rápidos, alimentados por tremendos avances en la ciencia y la tecnología. Sin embargo, de acuerdo con los estándares de la ingeniería de confiabilidad clásica, todavía estamos lejos. En cambio, necesitamos un nuevo paradigma, uno que se centre no solo en la resistencia de los materiales, sino en las capacidades reconstructivas inherentes de los sistemas. No debemos mirar más allá de la generosidad de la vida biológica que nos rodea y confiar en que hay mucho que aprender del barrido de la historia evolutiva.
Este artículo se publicó originalmente en Aeon y se ha vuelto a publicar en Creative Commons.
Crédito de la imagen: Funny Solution Studio/. com