czego potrzeba, aby zbudować wieżę tak wysoką jak kosmos?
ludzkie pragnienie tworzenia coraz większych i bardziej imponujących struktur jest nienasycone. Piramidy starożytnego Egiptu, Wielki Mur Chiński i Burdż Chalifa w Dubaju—obecnie najwyższy budynek na świecie o wysokości ponad 828 metrów (2722 stóp)—są konsekwencją popychania inżynierii do granic możliwości. Ale ogromne budynki nie są tylko pomnikami ludzkich ambicji: mogą również stanowić klucz do postępu ludzkości w epoce kosmicznej.
obecnie krążą propozycje wolnostojącej wieży lub „windy kosmicznej”, która mogłaby sięgać do geosynchronicznej orbity wokół Ziemi. Taka Wieża byłaby alternatywą dla transportu rakietowego i drastycznie zmniejszałaby ilość energii potrzebnej do dostania się w Przestrzeń Kosmiczną. Poza tym, możemy sobie wyobrazić kosmiczne megastruktury o wielu kilometrach, Zasilane Energią Słoneczną, być może obejmujące całe planety, a nawet gwiazdy.
w ostatnich latach inżynierowie byli w stanie budować na większej skali dzięki wytrzymałości i niezawodności substancji, takich jak nowe stopy stali. Ale gdy wkraczamy w sferę megastruktur—tych o długości co najmniej 1000 km—utrzymanie bezpieczeństwa i integralności konstrukcji stało się diabelskim wyzwaniem. Dzieje się tak dlatego, że im coś staje się większe, tym więcej stresu doświadcza ze względu na swoją wagę i rozmiar („stres” jest miarą napięcia mechanicznego, jak wtedy, gdy wyciągasz coś od siebie lub ściskasz to razem. „Wytrzymałość” to maksymalne naprężenie, które konstrukcja może wytrzymać, zanim pęknie).
okazuje się, że projektowanie biologiczne, wyposażone w około 3,8 miliarda lat doświadczenia, może pomóc w rozwiązaniu tej zagadki. Przed erą nauki o materiałach inżynierowie musieli szukać w naturze kreatywnych sztuczek, aby pomóc im przezwyciężyć ograniczenia związane z materiałami. Klasyczne cywilizacje, na przykład, dodawały do swoich maszyn wojennych skręcone ścięgna wykonane ze skór zwierzęcych, które mogły się rozciągać i cofać, aby wystrzelić pociski w wroga. Ale potem pojawiły się substancje takie jak stal i beton, które stały się kolejno twardsze i lżejsze.
doprowadziło to do subdyscypliny znanej jako ” Inżynieria niezawodności.”Projektanci zaczęli tworzyć konstrukcje, które były znacznie mocniejsze niż maksymalne możliwe obciążenie, które musieli znieść—co oznaczało, że nacisk na materiały pozostawał w zakresie, w którym prawdopodobieństwo pęknięcia było bardzo niskie. Gdy jednak struktury zamienią się w megastruktury, obliczenia pokazują, że podejście przeciw ryzyku ogranicza ich rozmiar. Megastruktury koniecznie popychają materiały do granic możliwości i usuwają Luksus wietrzenia komfortowego poziomu stresu.
jednak ani Kości, ani ścięgna w naszym ciele nie cieszą się tym luksusem. W rzeczywistości są one często skompresowane i rozciągnięte znacznie poza punkt, w którym można oczekiwać, że ich podstawowe substancje pękną. Jednak te składniki ludzkiego ciała są nadal o wiele bardziej „niezawodne” niż sugerowałaby ich sama wytrzymałość materiału. Na przykład, samo bieganie może popchnąć ścięgno Achillesa do ponad 75 procent jego ostatecznej wytrzymałości na rozciąganie, podczas gdy ciężarowcy mogą doświadczyć naprężeń ponad 90 procent wytrzymałości ich kręgosłupa lędźwiowego, gdy są hefting setki kilogramów.
jak biologia radzi sobie z tymi obciążeniami? Odpowiedź jest taka, że nasze ciała stale naprawiają i poddają recyklingowi ich materiały. W ścięgnach włókna kolagenowe są wymieniane w taki sposób, że podczas gdy niektóre są uszkodzone, ogólne ścięgno jest bezpieczne. Ta stała samodzielna naprawa jest wydajna i niedroga i może się zmieniać w zależności od obciążenia. W rzeczy samej, wszystkie struktury i komórki w naszym ciele są w ciągłym obrocie; szacuje się, że prawie 98 procent atomów w ludzkim ciele jest wymienianych każdego roku.
niedawno zastosowaliśmy ten paradygmat samonaprawy, aby sprawdzić, czy można zbudować niezawodną windę kosmiczną z dostępnych materiałów. Powszechnie proponowana konstrukcja obejmuje kabel o długości 91 000 km (zwany liną), rozciągający się od równika i równoważony przeciwwagą w przestrzeni. Wiązka składa się z wiązek równoległych włókien, podobnych do włókien kolagenowych w ścięgnach lub osteonów w kościach, ale wykonanych z Kevlaru, materiału znalezionego w kamizelkach kuloodpornych i nożoodpornych.
używając czujników i sztucznie inteligentnego oprogramowania, możliwe byłoby matematyczne modelowanie całej wiązki, aby przewidzieć, kiedy, gdzie i jak włókna pękną. A kiedy to się stało, szybcy, zrobotyzowani wspinacze patrolujący w górę iw dół liny zastępowali je, dostosowując szybkość konserwacji i napraw w razie potrzeby-naśladując wrażliwość procesów biologicznych. Pomimo pracy przy bardzo wysokim naprężeniu w porównaniu do materiałów, które mogą wytrzymać, wykazaliśmy, że ta struktura będzie niezawodna i nie będzie wymagała wygórowanych stawek wymiany. Co więcej, maksymalna wytrzymałość, jaką musiałby posiadać materiał, aby uzyskać niezawodną strukturę, została przecięta o imponujące 44 procent.
to inspirowane biologią podejście do inżynierii może również pomóc budowlom na Ziemi, takim jak mosty i drapacze chmur. „Kwestionując” nasze materiały i wyposażając systemy w autonomiczne mechanizmy naprawy i wymiany, możemy przekroczyć obecne ograniczenia, jednocześnie zwiększając niezawodność.
aby uzyskać poczucie korzyści z pracy bliżej granicy wytrzymałości na rozciąganie, spójrz na Most wiszący, obejmujący długości liny stalowej, która zanurza się w środku. Główną przeszkodą w zwiększeniu rozpiętości mostu jest to, że gdy używamy dłuższych Lin, stają się one cięższe i pękają pod własnym ciężarem. Jeśli lina jest rozciągnięta do nie więcej niż 50% jej całkowitej wytrzymałości, maksymalna rozpiętość wynosi około 4 km; ale po rozciągnięciu do 90% jego siły, rozpiętość dramatycznie wzrasta do ponad 7,5 km. Jednak zapewnienie bezpieczeństwa kabla będzie wymagało wymiany włókien stalowych w precyzyjnym procesie, podobnie jak w systemach biologicznych.
Megastruktury nie są już science fiction. Nigdy nie zniechęcony zawaleniem Wieży Babel, jak wspomina Stary Testament, ludzie nadal budują większe, wyższe i szybsze, napędzane ogromnym postępem nauki i techniki. Jednak zgodnie ze standardami klasycznej inżynierii niezawodności wciąż jesteśmy daleko. Zamiast tego potrzebujemy nowego paradygmatu, który skupia się nie tylko na wytrzymałości materiału, ale także na nieodłącznych możliwościach rekonstrukcyjnych systemów. Nie powinniśmy szukać dalej niż dobrobyt życia biologicznego wokół nas i ufać, że wiele możemy się nauczyć z historii ewolucji.
ten artykuł został pierwotnie opublikowany w Aeon i został ponownie opublikowany na Creative Commons.
źródło: Funny Solution Studio / .com