Wat is er nodig om een toren zo hoog als de ruimte te bouwen?
het menselijk verlangen om steeds grotere en indrukwekkendere structuren te creëren is onverzadigbaar. De piramides van het oude Egypte, de Grote Muur van China en de Burj Khalifa in Dubai—nu het hoogste gebouw ter wereld met meer dan 828 meter—zijn een gevolg van het tot het uiterste gaan van de techniek. Maar enorme gebouwen zijn niet alleen monumenten voor menselijke ambitie: ze zouden ook de sleutel kunnen zijn tot de vooruitgang van de mensheid in het ruimtetijdperk.
Er circuleren nu voorstellen voor een vrijstaande toren of “ruimtelift” die tot in de geosynchrone baan rond de aarde zou kunnen reiken. Zo ‘ n toren zou een alternatief zijn voor rakettransport en de hoeveelheid energie die nodig is om de ruimte in te komen drastisch verminderen. Verder kunnen we ons ruimte-megastructuren voorstellen van vele kilometers groot, aangedreven door zonne-energie, die misschien hele planeten of zelfs sterren omvatten.
de afgelopen jaren hebben ingenieurs kunnen voortbouwen op grotere schalen dankzij de sterkte en betrouwbaarheid van stoffen zoals nieuwe staallegeringen. Maar als we het rijk van megastructuren betreden—die van 1000 km of meer in dimensie—is het handhaven van veiligheid en structurele integriteit een duivelse uitdaging geworden. Dat komt omdat hoe groter iets wordt, hoe meer stress het ervaart vanwege het gewicht en de grootte (“stress” is een maat voor mechanische spanning, zoals wanneer je iets uit één van beide uiteinden trekt, of samen knijpt. “Sterkte” is de maximale spanning die een structuur kan weerstaan voordat deze breekt).
het blijkt dat biologisch ontwerp, uitgerust met ongeveer 3,8 miljard jaar ervaring, kan helpen deze puzzel op te lossen. Voor het tijdperk van de materiaalwetenschap moesten ingenieurs naar de natuur zoeken voor creatieve trucs om hen te helpen de beperkingen van hun materialen te overwinnen. Klassieke beschavingen, bijvoorbeeld, soupeerden hun oorlogsmachines met gedraaide pezen gemaakt van dierenhuiden, die zich konden uitbreiden en terugkrabbelen om projectielen op de vijand te lanceren. Maar toen kwamen stoffen als staal en beton, en werden achtereenvolgens harder en lichter.
dit leidde tot een sub-discipline bekend als “reliability engineering.”Ontwerpers begonnen structuren te maken die veel sterker waren dan de maximale belasting die ze nodig hadden om te dragen—waardoor de druk op de materialen binnen een bereik bleef waar de kans op breuk zeer laag was. Zodra structuren veranderen in megastructuren, echter, berekeningen tonen aan dat deze risico-averse benadering plaatst een limiet op hun omvang. Megastructuren per se duwen materialen om hun grenzen, en verwijder de luxe van verwering comfortabele niveaus van stress.
echter, noch de botten noch pezen in ons lichaam genieten van deze luxe. In feite worden ze vaak samengeperst en uitgerekt tot ver voorbij het punt waarop hun onderliggende stoffen naar verwachting zullen breken. Toch zijn deze componenten van het menselijk lichaam nog steeds veel betrouwbaarder dan hun pure materiële kracht zou suggereren. Bijvoorbeeld, alleen maar hardlopen kan de achillespees duwen tot meer dan 75 procent van de uiteindelijke treksterkte, terwijl gewichtheffers kunnen ervaren spanningen van meer dan 90 procent van de sterkte van hun lendendoorns, wanneer ze zijn heft honderden kilo ‘ s.
hoe gaat de biologie met deze belastingen om? Het antwoord is dat onze lichamen hun materialen voortdurend repareren en recyclen. In pezen worden collageenvezels zodanig vervangen dat, terwijl sommige beschadigd zijn, de algehele pees veilig is. Deze constante zelfreparatie is efficiënt en goedkoop en kan veranderen op basis van de belasting. Inderdaad, alle structuren en cellen in ons lichaam zijn constant in turnover; geschat wordt dat bijna 98 procent van de atomen in het menselijk lichaam elk jaar worden vervangen.
onlangs hebben we dit zelfreparatieparadigma toegepast om te zien of het mogelijk is om een betrouwbare ruimtelift te bouwen met beschikbare materialen. Een algemeen voorgesteld ontwerp is voorzien van een 91.000 km lange kabel (genaamd een tether), die zich uitstrekt van de evenaar en in evenwicht is door een tegengewicht in de ruimte. De tether zou bestaan uit bundels parallelle vezels, vergelijkbaar met collageen vezels in pezen of osteons in botten, maar gemaakt van Kevlar, een materiaal gevonden in kogelvrije en mes-proof vesten.
met behulp van sensoren en kunstmatig intelligente software zou het mogelijk zijn om de gehele tether wiskundig te modelleren om te voorspellen wanneer, waar en hoe de vezels zouden breken. En als ze dat deden, zouden snelle robotklimmers die op en neer patrouilleerden over de tether hen vervangen, waarbij de snelheid van onderhoud en reparatie werd aangepast als dat nodig was—het nabootsen van de gevoeligheid van biologische processen. Ondanks het werken bij zeer hoge stress in vergelijking met wat materialen kunnen ondersteunen, toonden we aan dat deze structuur betrouwbaar zou zijn en geen exorbitante vervangingspercentages zou vereisen. Bovendien werd de maximale sterkte die het materiaal nodig zou hebben om een betrouwbare structuur te bereiken met een indrukwekkende 44 procent gesneden.
deze bio-geïnspireerde benadering van engineering kan ook bijdragen aan structuren hier op aarde, zoals bruggen en wolkenkrabbers. Door onze materialen uit te dagen en systemen uit te rusten met autonome reparatie-en vervangingsmechanismen, kunnen we de huidige beperkingen overschrijden en de betrouwbaarheid verbeteren.
om een idee te krijgen van de voordelen van het dichter bij de grens van de treksterkte werken, moet men kijken naar een hangbrug met lengtes van staalkabel die in het midden zakken. De belangrijkste hindernis voor het vergroten van de overspanning van de brug is dat, als we langere touwen gebruiken, ze zwaarder worden en breken onder hun eigen gewicht. Als de kabel niet meer dan 50% van de totale sterkte bereikt, bedraagt de maximale overspanning ongeveer 4 km. ; maar wanneer uitgerekt tot 90 procent van zijn sterkte, neemt de overspanning dramatisch toe tot meer dan 7,5 km. Echter, om ervoor te zorgen dat de kabel veilig is, moeten staalvezels worden vervangen in een verfijnd proces, net als in biologische systemen.Megastructuren zijn geen sciencefiction meer. Nooit afgeschrikt door de instorting van de toren van Babel, zoals verteld in het Oude Testament, zijn de mensen blijven groter en hoger en sneller bouwen, gevoed door enorme vooruitgang in wetenschap en technologie. Maar volgens de normen van de klassieke betrouwbaarheid engineering, we zijn nog ver weg. In plaats daarvan hebben we een nieuw paradigma nodig, een paradigma dat zich niet alleen richt op materiële sterkte, maar op de inherente reconstructieve capaciteiten van systemen. We moeten niet verder kijken dan de overvloed van biologisch leven om ons heen en vertrouwen dat er veel te leren is van de sweep van de evolutionaire geschiedenis.
dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op Aeon en is opnieuw gepubliceerd onder Creative Commons.
beeld door: Funny Solution Studio /. com