우주만큼 높은 탑을 건설하려면 어떻게 해야 할까?
더 크고 인상적인 구조물을 창조하려는 인간의 욕구는 무한하다. 고대 이집트의 피라미드,중국의 만리장성,두바이의 버즈 칼리파(현재 828 미터(2,722 피트)이상에서 세계에서 가장 높은 건물)는 엔지니어링을 한계까지 밀어 넣은 결과입니다. 그러나 거대한 건물은 인간의 야망에 단지 기념물되지 않습니다:그들은 또한 공간을 살아가는 시대에 인류의 진보에 열쇠를 보유 할 수 있습니다.
이제 지구 주위의 정지 궤도에 도달 할 수있는 독립형 타워 또는”우주 엘리베이터”에 대한 제안이 순환되고 있습니다. 이러한 타워는 로켓 기반 수송의 대안이 될 것이며 우주로 들어가는 데 걸리는 에너지의 양을 크게 줄일 것입니다. 그 외에도,우리는 태양 에너지에 의해 구동되는 수 킬로미터의 크기의 우주 기반 거대 구조를 상상할 수 있으며,아마도 전체 행성이나 심지어 별을 포함 할 수 있습니다.
최근 몇 년 동안 엔지니어들은 새로운 강철 합금과 같은 물질의 강도와 신뢰성 덕분에 더 큰 스케일을 구축 할 수있었습니다. 그러나 우리가 1,000 킬로미터 또는 그 이상의 차원의 거대 구조의 영역에 들어서면서 안전과 구조적 무결성을 유지하는 것은 악마적인 도전이되었습니다. 그것은 더 큰 무언가가 될수록 무게와 크기로 인해 더 많은 스트레스를 경험하기 때문입니다(“스트레스”는 양쪽 끝에서 무언가를 당기거나 함께 짜낼 때와 같은 기계적 장력의 척도입니다. “강도”는 구조가 파손되기 전에 견딜 수있는 최대 장력입니다.)
약 38 억 년의 경험을 갖춘 생물학적 설계가이 퍼즐을 해결하는 데 도움이 될 수 있음이 밝혀졌습니다. 재료 과학 시대 이전에 엔지니어들은 재료의 제한을 극복 할 수 있도록 창의적인 트릭을 위해 자연을 찾아야했습니다. 예를 들어,고전 문명은 전쟁 기계를 동물의 가죽으로 만든 꼬인 힘줄로 만들어 확장하여 적에게 발사체를 발사 할 수 있습니다. 그러나 강철 및 콘크리트와 같은 물질이 도착하여 연속적으로 더 거칠고 가벼워졌습니다.
이로 인해”신뢰성 엔지니어링”이라는 하위 분야가 생겼습니다.”설계자들은 필요한 최대 하중보다 훨씬 강한 구조물을 만들기 시작했습니다. 일단 구조가 거대 구조로 바뀌면,계산은 이러한 위험 회피 접근 방식이 크기에 상한선을 두는 것을 보여줍니다. 메가 구조는 반드시 자신의 한계에 재료를 밀어 스트레스의 편안한 수준을 풍화의 고급 스러움을 제거합니다.
그러나 우리 몸의 뼈나 힘줄은 이러한 사치를 누리지 못합니다. 사실,그들은 종종 압축 하 고 그들의 기본 물질 휴식 예상 될 수 있는 지점을 넘어 잘 뻗어 있어. 그러나 인체의 이 분대는 아직도 그들의 투명한 물자 힘이 건의할 것입니다 보다는 훨씬”믿을 수 있습니다”. 예를 들어,단순히 달리기만으로 아킬레스 건을 궁극적 인 인장 강도의 75%이상으로 밀어 넣을 수 있지만 역도 선수는 수백 킬로그램을 깎을 때 요추 척추 강도의 90%이상의 스트레스를 경험할 수 있습니다.
생물학은 이러한 부하를 어떻게 처리합니까? 대답은 우리 몸이 끊임없이 재료를 수리하고 재활용한다는 것입니다. 심줄에서는,교원질 섬유는 어떤이 손상되는 그러나,전반적인 심줄이 안전하다 그런 방법으로 대체됩니다. 이 지속적인 자체 수리는 효율적이고 저렴하며 부하에 따라 변경 될 수 있습니다. 실제로,우리 몸에 있는 모든 구조 그리고 세포는 일정한 회전율에 있습니다;인체에 있는 원자의 거의 98%가 매년마다 대체된ㄴ다는 것을 추정됩니다.
우리는 최근 이 자체 수리 패러다임을 적용하여 사용 가능한 재료로 안정적인 우주 엘리베이터를 만들 수 있는지 확인했습니다. 일반적인 제안 된 설계 기능 91,000 킬로미터 길이의 케이블(밧줄이라고 함),적도에서 밖으로 확장 하 고 공간에서 평형 추에 의해 균형. 밧줄은 뼈의 힘줄이나 오스테온의 콜라겐 섬유와 유사한 평행 섬유의 번들로 구성되지만 방탄 및 칼 증거 조끼에서 발견되는 물질 인 케블라로 만들어졌습니다.
센서와 인공 지능 소프트웨어를 사용하여 전체 테더를 수학적으로 모델링하여 섬유가 언제,어디서,어떻게 파괴되는지 예측할 수 있습니다. 그들이 한 때,최대 순찰과 밧줄을 아래로 빠른 로봇 등산객은 필요에 따라 유지 보수 및 수리 속도를 조정,그들을 대체 할—생물학적 과정의 감도를 모방. 어떤 재료를 유지할 수 있습니다에 비해 매우 높은 스트레스에서 작동에도 불구 하 고,우리는이 구조는 신뢰할 수 있는 것 및 교체의 엄청난 속도 요구 하지 것 이라고 보였다. 더욱,믿을 수 있는 구조를 달성하기 위하여 물자가 소유할 필요가 있을 최대 힘은 감동하는 44%에 의해 삭감되었습니다.
이 바이오에서 영감을 얻은 엔지니어링 접근 방식은 교량 및 고층 빌딩과 같은 지구상의 구조물에도 도움이 될 수 있습니다. 우리의 재료에”도전”하고 시스템에 자율적 인 수리 및 교체 메커니즘을 장착함으로써 우리는 현재의 한계를 뛰어 넘는 동시에 신뢰성을 향상시킬 수 있습니다.
장력 강도의 한계에 가까운 운영의 이득의 감을 얻기 위하여는,중간에 담그는 강철 밧줄의 길이를 포함하는 현수교를 보십시오. 교량의 경간을 증가하기에 주요한 장애물은 우리가 더 긴 밧줄을 사용하기 때문에,더 무겁게 되고 그들의 자신의 무게의 밑에 끊는다 고 이다. 로프는 총 강도의 더 이상 50%이상 뻗어 경우,최대 스팬은 약 4 킬로미터입니다; 그러나 그 힘의 90%까지 뻗어있을 때,스팬은 극적으로 7.5 킬로미터 이상으로 증가합니다. 그러나,케이블이 안전하다는 것을 지키는 것은 강철 섬유를 생물학 체계에서 같이 미조정된 과정에서,다만 대체될 것을 요구할 것입니다.
메가 구조는 더 이상 공상 과학 소설이 아닙니다. 바벨탑의 붕괴에 의해 단념하지 마십시오,구약에서 회상으로,인간은 더 크고 더 빠르게 구축하는 것을 계속했다,과학 기술의 엄청난 발전에 의해 연료. 그러나 고전적인 신뢰성 공학의 표준에 따르면,우리는 여전히 멀리 떨어져 있습니다. 대신 우리는 새로운 패러다임이 필요합니다.물질적 강도뿐만 아니라 시스템의 고유 한 재구성 능력에 초점을 맞추는 패러다임이 필요합니다. 우리는 우리 주변의 생물학적 생명의 현상금보다 더 이상 보지 말아야하며 진화론 적 역사의 청소에서 배울 것이 많다는 것을 신뢰해야합니다.
이 기사는 원래 이온에서 출판되었으며 크리에이티브 커먼즈하에 다시 게시되었습니다.
이미지 제공:재미 솔루션 스튜디오.