Hva Ville Det Ta Å Bygge Et Tårn Så Høyt Som Verdensrommet?
menneskets ønske om å skape stadig større og mer imponerende strukturer er umettelig. Pyramidene I Det Gamle Egypt, Den Kinesiske Mur og Burj Khalifa I Dubai – nå det høyeste byggverket i verden på over 828 meter (2.722 ft)—er en konsekvens av å presse engineering til sine grenser. Men store bygninger er ikke bare monumenter til menneskelig ambisjon: de kan også holde nøkkelen til menneskehetens fremgang i romfarende alder.
Forslag sirkulerer nå for et frittstående tårn eller «romheis» som kan nå opp i den geosynkrone bane rundt jorden. Et slikt tårn ville være et alternativ til rakettbasert transport, og drastisk redusere mengden energi det tar å komme inn i rommet. Utover det kan vi forestille oss rombaserte megastrukturer mange kilometer i størrelse, drevet av solenergi, kanskje omfatter hele planeter eller til og med stjerner.
de siste årene har ingeniører vært i stand til å bygge på større skalaer takket være styrken og påliteligheten til stoffer som nye stållegeringer. Men når vi går inn i riket av megastrukturer-de på 1000 km eller mer i dimensjon-opprettholde sikkerhet og strukturell integritet har blitt en djevelsk utfordring. Det er fordi jo større noe blir, jo mer stress det opplever på grunn av sin vekt og størrelse («stress» er et mål på mekanisk spenning, som når du trekker noe fra hverandre, eller klemmer det sammen. «Styrke» er den maksimale spenningen en struktur kan tåle før den går i stykker).
det viser seg at biologisk design, utstyrt med rundt 3,8 milliarder års erfaring, kan bidra til å løse dette puslespillet. Før materialvitenskapens alder måtte ingeniører se til naturen for kreative triks for å hjelpe dem med å overvinne begrensningene i materialene sine. Klassiske sivilisasjoner, for eksempel, souped sine krigsmaskiner med vridde sener laget av dyreskinn, som kunne strekke seg og snap tilbake for å starte prosjektiler mot fienden. Men så kom stoffer som stål og betong, og ble suksessivt tøffere og lettere.
dette førte til en underdisiplin kjent som » pålitelighetsteknikk.»Designere begynte å lage strukturer som var mye sterkere enn den maksimale belastningen de trengte å bære—noe som medførte at belastningen på materialene holdt seg innenfor et område hvor sannsynligheten for brudd var svært lav. Når strukturer blir til megastrukturer, viser beregninger at denne risikovillige tilnærmingen plasserer en hette på størrelsen. Megastrukturer nødvendigvis presse materialer til sine grenser, og fjerne luksusen av forvitring komfortable nivåer av stress.
men verken bein eller sener i kroppen vår nyte denne luksusen. Faktisk er de ofte komprimert og strukket langt utover det punktet hvor deres underliggende stoffer kan forventes å bryte. Likevel er disse komponentene av menneskelige kropper fortsatt mye mer ‘pålitelige’ enn deres rene materielle styrke vil foreslå. For eksempel kan bare løping presse Akillessenen til over 75 prosent av sin ultimate strekkstyrke, mens vektløftere kan oppleve stress på over 90 prosent av styrken på lumbale spines, når de hefter hundrevis av kilo.
hvordan håndterer biologi disse belastningene? Svaret er at kroppene våre hele tiden reparerer og resirkulerer materialene sine. I sener erstattes kollagenfibre på en slik måte at mens noen er skadet, er den generelle senen trygg. Denne konstante selvreparasjonen er effektiv og rimelig, og kan endres basert på lasten. Faktisk er alle strukturer og celler i kroppene våre i konstant omsetning; det anslås at nesten 98 prosent av atomene i menneskekroppen erstattes hvert år.
vi har nylig brukt dette selvreparasjonsparadigmet for å se om det er mulig å bygge en pålitelig romheis med tilgjengelige materialer. En felles foreslått design har en 91 000 km lang kabel (kalt en tether), som strekker seg ut fra ekvator og balansert av en motvekt i rommet. Tether vil bestå av bunter av parallelle fibre, lik kollagenfibre i sener eller osteoner i bein, men laget Av Kevlar, et materiale som finnes i skuddsikre og knivsikre vester.
ved hjelp av sensorer og kunstig intelligent programvare, ville det være mulig å modellere hele tether matematisk for å forutsi når, hvor og hvordan fibrene ville bryte. Og da de gjorde det, ville raske robotklatrere som patruljerte opp og ned tetheren erstatte dem, justere vedlikeholds-og reparasjonshastigheten etter behov-etterligne følsomheten til biologiske prosesser. Til tross for drift ved svært høy belastning i forhold til hvilke materialer som kan opprettholde, viste vi at denne strukturen ville være pålitelig og ikke ville kreve ublu erstatningshastigheter. Videre ble den maksimale styrken materialet måtte ha for å oppnå en pålitelig struktur kuttet med en imponerende 44 prosent.
denne bio-inspirerte tilnærmingen til ingeniørarbeid kan også hjelpe strukturer her nede på Jorden, som broer og skyskrapere. Ved å «utfordre» våre materialer, og utstyre systemer med autonome reparasjons-og erstatningsmekanismer, kan vi overgå dagens begrensninger samtidig som påliteligheten forbedres.
for å få en følelse av fordelene ved å operere nærmere grensen for strekkfasthet, se på en hengebro, som involverer lengder av ståltau som dypper i midten. Hovedhindringen for å øke broens spenning er at når vi bruker lengre tau, blir de tyngre og bryter under egen vekt. Hvis tauet strekkes til ikke mer enn 50 prosent av sin totale styrke, er maksimal spenning ca 4 km; men når strekkes opp til 90 prosent av sin styrke, øker spenningen dramatisk til mer enn 7,5 km. Men å sikre at kabelen er trygg, vil kreve at stålfibre erstattes i en finjustert prosess, akkurat som i biologiske systemer.
Megastrukturer er ikke lenger science fiction. Aldri frarådet av sammenbruddet Av Babels Tårn, som fortalt I Det Gamle Testamente, har mennesker fortsatt å bygge større og høyere og raskere, drevet av enorme fremskritt innen vitenskap og teknologi. Men i henhold til standardene for klassisk pålitelighetsteknikk er vi fortsatt langt unna. I stedet trenger vi et nytt paradigme, et som ikke bare fokuserer på materiell styrke, men på systemenes iboende rekonstruktiv kapasitet. Vi burde ikke se lenger enn bounty av biologisk liv rundt oss og stoler på at det er mye å lære av feie av evolusjonær historie.
denne artikkelen ble opprinnelig publisert På Aeon og har blitt publisert under Creative Commons.
Bilde Kreditt: Morsom Solution Studio/. com