mi kell ahhoz, hogy egy torony olyan magas legyen, mint a világűr?
az emberi vágy, hogy egyre nagyobb és lenyűgözőbb struktúrákat hozzon létre, kielégíthetetlen. Az ókori Egyiptom piramisai, a kínai Nagy Fal és a Burj Khalifa Dubaiban-jelenleg a világ legmagasabb épülete több mint 828 méteren (2722 láb)—a mérnöki korlátok nyomásának következményei. De a hatalmas épületek nem csak az emberi ambíció emlékművei: az emberiség fejlődésének kulcsa is lehet az űrutazás korában.
javaslatok keringenek egy szabadon álló toronyra vagy “űrliftre”, amely elérheti a Föld körüli geoszinkron pályát. Egy ilyen torony alternatívája lenne a rakétaalapú szállításnak, és drasztikusan csökkentené az űrbe jutáshoz szükséges energia mennyiségét. Ezen túlmenően elképzelhetjük a sok kilométer nagyságú, napenergiával működő űralapú megastruktúrákat, amelyek talán egész bolygókat vagy akár csillagokat is magukban foglalnak.
az elmúlt években a mérnökök képesek voltak nagyobb méretekre építeni az olyan anyagok szilárdságának és megbízhatóságának köszönhetően, mint az új acélötvözetek. De ahogy belépünk a megastruktúrák birodalmába—amelyek mérete 1000 km vagy annál nagyobb—a biztonság és a szerkezeti integritás fenntartása ördögi kihívássá vált. Ez azért van, mert minél nagyobb lesz valami, annál nagyobb stresszt tapasztal a súlya és mérete miatt (a”stressz” a mechanikai feszültség mértéke, például amikor valamit széthúz vagy összenyomja. Az ” erő ” az a maximális feszültség, amelyet egy szerkezet képes ellenállni, mielőtt eltörne).
kiderült, hogy a biológiai tervezés, amely körülbelül 3,8 milliárd éves tapasztalattal rendelkezik, segíthet megoldani ezt a rejtvényt. Az anyagtudomány kora előtt a mérnököknek kreatív trükköket kellett keresniük a természetben, hogy segítsenek nekik legyőzni anyagaik korlátozásait. A klasszikus civilizációk például állati bőrből készült csavart inakkal erősítették meg harci gépeiket, amelyek meghosszabbodhattak és visszahúzódhattak, hogy lövedékeket indítsanak az ellenségre. De aztán olyan anyagok érkeztek, mint az acél és a beton, és egyre keményebbek és könnyebbek lettek.
ez egy “megbízhatósági mérnöki” néven ismert tudományághoz vezetett.”A tervezők olyan szerkezeteket kezdtek el készíteni, amelyek sokkal erősebbek voltak, mint a lehető legnagyobb terhelés, amelyet el kellett viselniük—ami azt jelentette, hogy az anyagokra nehezedő stressz olyan tartományon belül maradt, ahol a törés valószínűsége nagyon alacsony volt. Amint azonban a struktúrák megastruktúrává válnak, a számítások azt mutatják, hogy ez a kockázatkerülő megközelítés korlátozza méretüket. A megastruktúrák szükségszerűen az anyagokat a határaikig tolják, és eltávolítják az időjárás kényelmes stresszszintjének luxusát.
azonban sem a csontok, sem a testünkben lévő inak nem élvezik ezt a luxust. Valójában gyakran összenyomódnak és jóval túlnyúlnak azon a ponton, ahol a mögöttes anyagok várhatóan eltörnek. Az emberi test ezen alkotóelemei azonban még mindig sokkal megbízhatóbbak, mint azt puszta anyagi erejük sugallja. Például pusztán a futás az Achilles-ínt a végső szakítószilárdságának több mint 75% – ára tolhatja, míg a súlyemelők az ágyéki tüskék erősségének több mint 90% – át tapasztalhatják, amikor több száz kilogrammot dobnak.
hogyan kezeli a biológia ezeket a terheket? A válasz az, hogy testünk folyamatosan javítja és újrahasznosítja az anyagokat. Az inakban a kollagénszálakat oly módon cserélik ki, hogy míg egyesek sérültek, az Általános ín biztonságos. Ez az állandó önjavítás hatékony és olcsó, és a terhelés alapján változhat. Valójában a testünk összes struktúrája és sejtje állandó forgalomban van; becslések szerint az emberi test atomjainak csaknem 98% – a évente kicserélődik.
nemrég alkalmaztuk ezt az önjavító paradigmát, hogy lássuk, lehetséges-e megbízható űrliftet építeni a rendelkezésre álló anyagokból. A közös javasolt kialakítás egy 91 000 km hosszú kábelt (úgynevezett hevedert) tartalmaz, amely az egyenlítőtől nyúlik ki, és ellensúlyozza az űrben. A heveder párhuzamos szálakból álló kötegekből állna, hasonlóan az inak kollagénszálaihoz vagy a csontokban lévő oszteonokhoz,de Kevlarból készült, golyóálló és késbiztos mellényekben található anyagból.
érzékelők és mesterségesen intelligens szoftverek segítségével lehetséges lenne az egész hevedert matematikailag modellezni, hogy megjósolhassuk, mikor, hol és hogyan törnek el a szálak. És amikor megtették, a hevederen fel—le járőröző gyors robotmászók helyettesítették őket, szükség szerint módosítva a karbantartás és javítás sebességét-utánozva a biológiai folyamatok érzékenységét. Annak ellenére, hogy nagyon nagy stresszel működik, összehasonlítva azzal, amit az anyagok képesek fenntartani, megmutattuk, hogy ez a szerkezet megbízható, és nem igényel túlzott mértékű cserét. Ezenkívül a maximális szilárdságot, amelyre az anyagnak rendelkeznie kell egy megbízható szerkezet eléréséhez, lenyűgöző 44 százalékkal csökkentették.
ez a bio-inspirált mérnöki megközelítés segíthet a földi struktúrákban is, mint például a hidak és a felhőkarcolók. Anyagaink “kihívásával”, valamint a rendszerek önálló javítási és cseremechanizmusokkal való felszerelésével túlléphetjük a jelenlegi korlátokat, miközben növeljük a megbízhatóságot.
ahhoz, hogy megértsük a húzószilárdság határához közelebb történő működés előnyeit, nézzünk meg egy függőhídot, amely magában foglalja a közepén merülő acélkötél hosszát. A híd fesztávolságának növelésének fő akadálya az, hogy a hosszabb kötelek használatával nehezebbé válnak, és saját súlyuk alatt eltörnek. Ha a kötelet teljes szilárdságának legfeljebb 50% – ára nyújtják, a maximális fesztávolság körülbelül 4 km; de amikor az erő 90% – át megnyújtják, a fesztávolság drámai módon több mint 7,5 km-re nő. A kábel biztonságosságának biztosításához azonban az acélszálakat finomhangolt folyamat során ki kell cserélni, akárcsak a biológiai rendszerekben.
a Megastruktúrák már nem tudományos fantasztikusak. Bábel tornyának leomlása soha nem tántorította el az embereket attól, hogy az Ószövetségben elmondottak szerint egyre nagyobbat, magasabbra és gyorsabban építsenek, amit a tudomány és a technológia hatalmas fejlődése táplál. A klasszikus megbízhatósági mérnöki szabványok szerint azonban még mindig messze vagyunk. Ehelyett egy új paradigmára van szükségünk, amely nemcsak az anyagi erőre összpontosít, hanem a rendszerek eredendő rekonstrukciós képességeire is. Nem szabad tovább keresnünk a körülöttünk lévő biológiai élet gazdagságát, és bíznunk kell abban, hogy sokat tanulhatunk az evolúciós történelem söpöréséből.
ez a cikk eredetileg az Aeon-ban jelent meg, és a Creative Commons alatt jelent meg újra.
kép jóváírása: Funny Solution Studio/. com