mitä vaatisi rakentaa ulkoavaruuden korkuinen torni?
ihmisen halu luoda yhä suurempia ja vaikuttavampia rakennelmia on kyltymätön. Muinaisen Egyptin pyramidit, Kiinan muuri ja Dubaissa sijaitseva Burj Khalifa—joka on nykyään maailman korkein rakennus yli 828 metrin korkeudessa—ovat seurausta siitä, että insinööritaitoa työnnetään äärimmilleen. Mutta valtavat rakennukset eivät ole vain monumentteja ihmisen kunnianhimolle: ne saattavat myös olla avain ihmiskunnan edistymiseen avaruuskauden aikana.
liikkeellä on nyt ehdotuksia vapaasti seisovasta tornista eli” avaruushissistä”, joka voisi nousta Maata kiertävälle geosynkroniselle radalle. Tällainen torni olisi vaihtoehto raketteihin perustuvalle liikenteelle ja vähentäisi huomattavasti avaruuteen pääsemiseen kuluvaa energiaa. Sen lisäksi voimme kuvitella avaruudessa sijaitsevia megarakenteita, joiden koko on useita kilometrejä ja jotka saavat voimansa aurinkoenergiasta ja jotka ehkä käsittävät kokonaisia planeettoja tai jopa tähtiä.
viime vuosina insinöörit ovat kyenneet rakentamaan suuremmilla mittakaavoilla uusien teräsmetalliseosten kaltaisten aineiden lujuuden ja luotettavuuden ansiosta. Mutta kun astumme megarakenteiden—vähintään 1000 kilometrin mittaisten—maailmaan, turvallisuuden ja rakenteellisen eheyden ylläpitämisestä on tullut pirullinen haaste. Tämä johtuu siitä, että mitä suurempi jokin tulee, sitä enemmän stressiä se kokee painonsa ja kokonsa vuoksi (”stressi” on mekaanisen jännityksen mitta, kuten Kun vedät jotain erilleen kummastakin päästä tai puristat sen yhteen. ”Vahvuus” on suurin jännitys, jonka rakenne kestää ennen kuin se hajoaa).
käy ilmi, että biologinen suunnittelu, joka on varustettu noin 3,8 miljardin vuoden kokemuksella, saattaa auttaa ratkaisemaan tämän arvoituksen. Ennen materiaalitieteen aikakautta insinöörien oli etsittävä luonnosta luovia temppuja, joiden avulla he pystyivät ylittämään materiaaliensa rajoitukset. Esimerkiksi klassiset sivilisaatiot souduttivat sotakoneitaan eläinten vuodista tehdyillä kierteisillä jänteillä, jotka saattoivat ulottua ja napsahtaa taaksepäin laukaisemaan ammuksia vihollista kohti. Mutta sitten tuli aineita, kuten teräs ja betoni, ja tuli peräkkäin kovempia ja kevyempiä.
tämä johti alalajiin, joka tunnetaan nimellä ” reliability engineering.”Suunnittelijat alkoivat tehdä rakenteita, jotka olivat paljon voimakkaampia kuin suurin mahdollinen kuormitus, jonka he tarvitsivat kantaakseen—mikä tarkoitti sitä, että materiaalien kuormitus pysyi alueella, jossa rikkoutumisen todennäköisyys oli hyvin pieni. Kun rakennelmista tulee megarakenteita, laskelmat kuitenkin osoittavat, että tämä riskien vastainen lähestymistapa asettaa niiden koolle ylärajan. Megarakenteet työntävät välttämättä materiaalit äärirajoilleen ja poistavat sään mukavien stressitasojen ylellisyyden.
kehomme luut ja jänteet eivät kuitenkaan nauti tästä ylellisyydestä. Itse asiassa, ne ovat usein pakattu ja venytetty paljon yli pisteen, jossa niiden taustalla olevat aineet voidaan odottaa rikkoa. Kuitenkin nämä ihmisruumiin osat ovat vielä paljon ’luotettavampia’ kuin niiden pelkkä aineellinen vahvuus antaisi ymmärtää. Esimerkiksi pelkkä juokseminen voi työntää akillesjänteen yli 75 prosenttiin sen lopullisesta vetolujuudesta, kun taas painonnostajat voivat kokea rasituksia, jotka ovat yli 90 prosenttia lanneselkänsä lujuudesta, kun he painavat satoja kiloja.
miten biologia käsittelee näitä kuormia? Vastaus on, että kehomme korjaa ja kierrättää jatkuvasti materiaalejaan. Jänteissä kollageenisäikeitä korvataan siten, että vaikka osa vaurioituu, koko jänne on turvallinen. Tämä jatkuva itsekorjaus on tehokasta ja edullista, ja se voi muuttua kuormituksen mukaan. Kaikki kehomme rakenteet ja solut ovat jatkuvassa vaihdossa; on arvioitu, että lähes 98 prosenttia ihmisruumiin atomeista vaihtuu joka vuosi.
sovellimme hiljattain tätä itsekorjautuvaa paradigmaa nähdäksemme, onko mahdollista rakentaa luotettava avaruushissi käytettävissä olevista materiaaleista. Yhteisenä ehdotuksena on 91 000 kilometriä pitkä kaapeli, joka ulottuu päiväntasaajalta ja jota tasapainottaa avaruudessa oleva vastapaino. Lieka koostuisi yhdensuuntaisista kuiduista, jotka muistuttavat jänteiden kollageenisäikeitä tai luiden osteoneja, mutta jotka on valmistettu luodin-ja veitsenkestävien liivien materiaalista.
antureiden ja keinotekoisen älykkäiden ohjelmistojen avulla olisi mahdollista mallintaa koko lieka matemaattisesti, jotta voitaisiin ennustaa milloin, missä ja miten kuidut katkeaisivat. Ja kun he tekivät niin, nopeat robottikiipeilijät, jotka partioivat ylös ja alas lietettä, korvasivat heidät säätämällä huolto—ja korjausnopeutta tarpeen mukaan-matkien biologisten prosessien herkkyyttä. Huolimatta toimivat erittäin korkea stressi verrattuna siihen, mitä materiaalit voivat ylläpitää, osoitimme tämä rakenne olisi luotettava ja ei vaadi kohtuuttomia määriä korvaaminen. Lisäksi suurinta lujuutta, jota materiaali tarvitsisi luotettavan rakenteen aikaansaamiseksi, leikattiin vaikuttava 44 prosenttia.
tämä bio-inspiroitunut lähestymistapa tekniikkaan voi auttaa myös maan päällä olevia rakenteita, kuten siltoja ja pilvenpiirtäjiä. ”Haastamalla” materiaalimme ja varustamalla järjestelmät autonomisilla korjaus-ja vaihtomekanismeilla voimme ylittää nykyiset rajoitukset ja parantaa luotettavuutta.
saadaksesi käsityksen lähempänä vetolujuuden rajaa toimimisen hyödyistä, katso riippusiltaa, jossa on keskellä pulppuavan teräsköyden pituudet. Suurin este sillan jännevälin kasvattamiselle on se, että kun käytämme pidempiä köysiä, niistä tulee raskaampia ja ne murtuvat oman painonsa alla. Jos köysi on venytetty enintään 50 prosenttiin sen kokonaisvahvuudesta, suurin jänneväli on noin 4 km; mutta kun span venyy jopa 90 prosenttiin voimastaan, se kasvaa dramaattisesti yli 7,5 kilometriin. Kaapelin turvallisuuden varmistaminen vaatii kuitenkin teräskuitujen vaihtamista hienosäädetyssä prosessissa, aivan kuten biologisissa järjestelmissä.
Megaromaanit eivät ole enää tieteiskirjallisuutta. Baabelin tornin sortuminen, kuten vanhassa testamentissa kerrotaan, ei ole koskaan estänyt ihmisiä rakentamasta yhä suurempia ja korkeampia ja nopeampia tieteen ja tekniikan suunnattomien edistysaskeleiden vauhdittamana. Silti klassisen luotettavuustekniikan standardien mukaan olemme vielä kaukana. Sen sijaan tarvitsemme uuden paradigman, joka ei keskity ainoastaan aineelliseen vahvuuteen vaan järjestelmien luontaiseen jälleenrakentamiskykyyn. Meidän ei pitäisi katsoa ympärillämme olevaa biologisen elämän antimia pidemmälle ja luottaa siihen, että evolutionaarisen historian pyyhkäisystä on paljon opittavaa.
tämä artikkeli on julkaistu alun perin Aeon: ssa ja se on julkaistu uudelleen Creative Commons-lehdessä.
Image Credit: Funny Solution Studio/. com