ce ar fi nevoie pentru a construi un turn la fel de înalt ca spațiul cosmic?
dorința umană de a crea structuri din ce în ce mai mari și mai impresionante este insațiabilă. Piramidele din Egiptul Antic, Marele Zid Chinezesc, și Burj Khalifa în Dubai—acum cel mai înalt edificiu din lume la peste 828 de metri (2.722 ft)—sunt o consecință a împingerii ingineriei la limitele sale. Dar clădirile uriașe nu sunt doar monumente ale ambiției umane: ele ar putea deține, de asemenea, cheia progresului umanității în epoca spațială.
propunerile circulă acum pentru un turn de sine stătător sau „lift spațial” care ar putea ajunge până în orbita geosincronă din jurul Pământului. Un astfel de turn ar fi o alternativă la transportul pe bază de rachete și ar reduce drastic cantitatea de energie necesară pentru a intra în spațiu. Dincolo de asta, ne putem imagina megastructuri bazate pe spațiu cu dimensiuni de mulți kilometri, alimentate de energia solară, cuprinzând probabil planete întregi sau chiar Stele.
în ultimii ani, inginerii au reușit să construiască pe scări mai mari datorită rezistenței și fiabilității substanțelor precum aliajele de oțel noi. Dar, pe măsură ce intrăm pe tărâmul megastructurilor—cele de 1.000 km sau mai mult în dimensiune—menținerea siguranței și integrității structurale a devenit o provocare diabolică. Acest lucru se datorează faptului că, cu cât ceva devine mai mare, cu atât mai mult stres se confruntă datorită greutății și dimensiunii sale („stresul” este o măsură a tensiunii mecanice, ca atunci când trageți ceva în afară de fiecare capăt sau îl strângeți împreună. „Forța” este tensiunea maximă pe care o structură o poate rezista înainte de a se rupe).
se pare că designul biologic, echipat cu aproximativ 3,8 miliarde de ani de experiență, ar putea ajuta la rezolvarea acestui puzzle. Înainte de epoca științei materialelor, inginerii trebuiau să caute în natură trucuri creative pentru a-i ajuta să depășească restricțiile materialelor lor. Civilizațiile clasice, de exemplu, și-au umplut mașinile de război cu tendoane răsucite făcute din piei de animale, care s-ar putea extinde și se pot întoarce pentru a lansa proiectile asupra inamicului. Dar apoi au sosit substanțe precum oțelul și betonul și au devenit succesiv mai dure și mai ușoare.
acest lucru a dus la o subdisciplină cunoscută sub numele de „ingineria fiabilității.”Proiectanții au început să facă structuri mult mai puternice decât sarcina maximă posibilă pe care trebuiau să o suporte—ceea ce însemna că stresul asupra materialelor a rămas într-un interval în care probabilitatea de rupere a fost foarte mică. Odată ce structurile se transformă în megastructuri, calculele arată că această abordare aversă față de risc plasează un plafon pentru dimensiunea lor. Megastructurile împing în mod necesar materialele la limitele lor și elimină luxul de a intemperii niveluri confortabile de stres.
cu toate acestea, nici oasele, nici tendoanele din corpul nostru nu se bucură de acest lux. De fapt, ele sunt adesea comprimate și întinse dincolo de punctul în care substanțele lor subiacente ar putea fi de așteptat să se rupă. Cu toate acestea, aceste componente ale corpurilor umane sunt încă mult mai fiabile decât ar sugera puterea lor materială pură. De exemplu, simpla alergare poate împinge tendonul lui Ahile la peste 75% din rezistența sa finală la tracțiune, în timp ce halterofilii pot experimenta tensiuni de peste 90% din rezistența coloanei vertebrale lombare, atunci când sunt hefting sute de kilograme.
cum se descurcă biologia cu aceste sarcini? Răspunsul este că corpurile noastre își repară și reciclează constant materialele. În tendoane, fibrele de colagen sunt înlocuite astfel încât, în timp ce unele sunt deteriorate, tendonul general este sigur. Această auto-reparație constantă este eficientă și ieftină și se poate schimba în funcție de sarcină. Într-adevăr, toate structurile și celulele din corpul nostru sunt în continuă rotație; se estimează că aproape 98% din atomii din corpul uman sunt înlocuiți în fiecare an.
am aplicat recent această paradigmă de auto-reparare pentru a vedea dacă este posibil să construim un lift spațial fiabil cu materiale disponibile. Un design comun propus are un cablu lung de 91.000 km (numit a lega), care se extinde de la ecuator și echilibrat de o contragreutate în spațiu. Legătura ar consta din mănunchiuri de fibre paralele, similare fibrelor de colagen din tendoane sau osteonilor din oase, dar fabricate din Kevlar, un material găsit în veste antiglonț și cuțit.
folosind senzori și software inteligent artificial, ar fi posibil să modelăm matematic întreaga legătură, astfel încât să prezicem când, unde și cum s-ar rupe fibrele. Și când au făcut—o, alpiniștii robotici rapizi care patrulau în sus și în jos pe tether îi înlocuiau, ajustând rata de întreținere și reparații după cum este necesar-imitând sensibilitatea proceselor biologice. În ciuda faptului că funcționează la stres foarte mare în comparație cu ce materiale pot susține, am arătat că această structură ar fi fiabilă și nu ar necesita rate exorbitante de înlocuire. Mai mult, puterea maximă pe care materialul ar trebui să o posede pentru a obține o structură fiabilă a fost redusă cu un impresionant 44%.
această abordare bio-inspirată a ingineriei poate ajuta, de asemenea, structurile de aici de pe pământ, cum ar fi podurile și zgârie-nori. Prin „provocarea” materialelor noastre și echiparea sistemelor cu mecanisme autonome de reparare și înlocuire, putem depăși limitările actuale, îmbunătățind în același timp fiabilitatea.
pentru a înțelege beneficiile funcționării mai aproape de limita rezistenței la tracțiune, uitați-vă la o punte suspendată, care implică lungimi de frânghie de oțel care se scufundă în mijloc. Principalul obstacol în calea creșterii întinderii podului este că, pe măsură ce folosim frânghii mai lungi, acestea devin mai grele și se rup sub propria greutate. Dacă frânghia este întinsă la cel mult 50% din rezistența sa totală, durata maximă este de aproximativ 4 km; dar când este întins până la 90% din puterea sa, intervalul crește dramatic la mai mult de 7,5 km. Cu toate acestea, asigurarea siguranței cablului va necesita înlocuirea fibrelor de oțel într-un proces reglat fin, la fel ca în sistemele biologice.
Megastructurile nu mai sunt science fiction. Niciodată descurajați de prăbușirea turnului Babel, așa cum este relatat în Vechiul Testament, oamenii au continuat să construiască mai mari, mai înalte și mai rapide, alimentate de progresele extraordinare în știință și tehnologie. Cu toate acestea, în conformitate cu standardele ingineriei clasice de fiabilitate, suntem încă departe. În schimb, avem nevoie de o nouă paradigmă, una care să se concentreze nu numai pe rezistența materială, ci și pe capacitățile reconstructive inerente ale sistemelor. Nu ar trebui să privim mai departe decât bogăția vieții biologice din jurul nostru și să avem încredere că există multe de învățat din istoria evoluției.
acest articol a fost publicat inițial la Aeon și a fost republicată sub Creative Commons.
credit imagine: Funny Solution Studio/. com