宇宙と同じ高さの塔を建設するには何が必要でしょうか？
これまで以上に大きく、より印象的な構造を作成するための人間の欲求は飽くことがありません。 古代エジプトのピラミッド、中国の万里の長城、そしてドバイのブルジュ—ハリファ—現在828メートル（2,722フィート）以上の世界で最も高い建物-は、工学を限界まで押し進めた結果である。 しかし、巨大な建物は人間の野心の記念碑だけではなく、宇宙時代の人類の進歩の鍵を握るかもしれません。
現在、地球の静止軌道に到達することができる自立塔または”宇宙エレベーター”の提案が循環しています。 このような塔は、ロケットベースの輸送に代わるものであり、宇宙に入るのにかかるエネルギーの量を大幅に削減するでしょう。 それを超えて、私たちは太陽エネルギーによって動力を与えられた数キロメートルの大きさの宇宙ベースの巨大構造を想像することができ、おそらく惑星全体や星さえも網羅しています。
近年、技術者は新しい鋼合金などの物質の強度と信頼性のおかげで、より壮大なスケールで構築することができました。 しかし、1,000km以上の巨大構造物の領域に入るにつれて、安全性と構造の完全性を維持することは非常に困難な課題となっています。 それは、何かが大きくなるほど、その重量とサイズのために経験するストレスが増えるからです（”ストレス”は、どちらかの端から離れて何かを引っ張ったり、一緒に絞ったりするときのように、機械的な張力の尺度です。 “強さ”は壊れる前に構造が抗できる最高の張力である）。
約38億年の経験を持つ生物学的デザインがこのパズルを解決するのに役立つかもしれないことが判明しました。 材料科学の時代の前に、エンジニアは彼らが彼らの材料の制限を克服するために創造的なトリックのために自然に目を向ける必要がありました。 例えば、古典的な文明は、動物の皮から作られたねじれた腱で戦争機械を吸い込み、敵に発射を発射するために伸びて戻ってくることができました。 しかし、その後、鋼やコンクリートなどの物質が到着し、連続的に厳しく、軽くなりました。
これは、”信頼性工学”として知られるサブ規律につながりました。”設計者は、彼らが負担するために必要な最大可能な負荷よりもはるかに強い構造を作るために始めた—材料への応力が破損の可能性が非常に低い範 しかし、構造が巨大構造に変わると、計算はこのリスク回避アプローチがそのサイズに上限を置くことを示しています。 メガ構造は必然的に材料を限界まで押し込み、快適なレベルのストレスを風化させる贅沢を取り除きます。
しかし、私たちの体の骨も腱もこの贅沢を享受していません。 実際には、それらはしばしば圧縮され、その根底にある物質が壊れると予想される点をはるかに超えて伸びています。 しかし、人体のこれらの構成要素は、それらの薄い材料強度が示唆するよりもはるかに信頼性が高い。 例えば、単に走っているだけでアキレス腱を究極の引張強度の75％以上に押し上げることができますが、重量挙げ師は数百キロを持ち上げているときに腰椎の強度の90％以上のストレスを経験することができます。
生物学はこれらの負荷をどのように処理しますか？ 答えは、私たちの体は常に彼らの材料を修復し、リサイクルすることです。 腱では、コラーゲン繊維は、いくつかは損傷しているが、全体的な腱が安全であるように置換される。 この一定した自己修復は効率的で安価であり、負荷に基づいて変更することができます。 確かに、私たちの体のすべての構造と細胞は一定の回転率であり、人体の原子のほぼ98％が毎年置き換えられていると推定されています。
私たちは最近、この自己修復パラダイムを適用して、利用可能な材料で信頼性の高い宇宙エレベーターを構築することが可能かどうかを確認しました。 一般的に提案されている設計では、赤道から伸び、宇宙のカウンターウェイトによって釣り合った長さ91,000kmのケーブル（テザーと呼ばれる）が特徴である。 テザーは、腱や骨の骨のコラーゲン繊維に似た平行繊維の束で構成されていますが、ケブラー、防弾とナイフのベストに見られる材料から作られています。
センサーと人工的に知的なソフトウェアを使用して、いつ、どこで、どのように繊維が壊れるかを予測するために、テザー全体を数学的にモデル化する そして、彼らがしたとき、テザーを上下に巡回する迅速なロボット登山者は、必要に応じてメンテナンスと修理の速度を調整し、生物学的プロセスの感度を模倣して、それらを交換するでしょう。 材料が維持できるものと比較して非常に高い応力で動作するにもかかわらず、この構造は信頼性が高く、法外な交換率を要求しないことを示しました。 さらに、材料が信頼できる構造を達成するために所有する必要がある最高の強さは印象的な44パーセントによって切られた。
このバイオに触発された工学的アプローチは、橋や高層ビルのような地球上の構造物を助けることもできます。 私達の材料に”挑戦”し、自律的な修理および取り替えのメカニズムをシステムに装備することによって、私達は信頼性を改善している間現在の限定を
引張強さの限界に近い動作の利点を感じるために、吊り橋を見て、中央に沈む鋼ロープの長さを含む。 橋のスパンを増やすための主なハードルは、長いロープを使用するにつれて重くなり、自重で壊れることです。 ロープが総強度の50％以下に伸ばされている場合、最大スパンは約4kmです; しかし、その強さの90パーセントまで伸びたとき、スパンは劇的に7.5km以上に増加します。 しかし、ケーブルが安全であることを保証するには、生物学的システムと同様に、鋼繊維を微調整されたプロセスで交換する必要があります。
メガストラクチャーはもはやsfではありません。 旧約聖書に記されているように、バベルの塔の崩壊によって決して説得されず、人間は科学技術の驚異的な進歩によって燃料を供給し、より大きく、より速く構築し続けてきました。 しかし、古典的な信頼性工学の基準によれば、私たちはまだ遠く離れています。 その代わりに、材料強度だけでなく、システム固有の再構築能力に焦点を当てた新しいパラダイムが必要です。 私たちは、私たちの周りの生物学的生命の恵みよりもさらに見て、進化の歴史の掃引から学ぶことがたくさんあると信頼する必要があります。
この記事はもともとイオンで出版され、クリエイティブ-コモンズの下で再発行されました。
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