Cosa ci vorrebbe per costruire una torre alta quanto lo spazio?
Il desiderio umano di creare strutture sempre più grandi e imponenti è insaziabile. Le piramidi dell’Antico Egitto, la Grande Muraglia cinese e il Burj Khalifa a Dubai—ora l’edificio più alto del mondo con oltre 828 metri (2.722 piedi)—sono una conseguenza di spingere l’ingegneria ai suoi limiti. Ma gli enormi edifici non sono solo monumenti all’ambizione umana: potrebbero anche contenere la chiave del progresso dell’umanità nell’era spaziale.
Ora circolano proposte per una torre autoportante o “ascensore spaziale” che potrebbe raggiungere l’orbita geosincrona attorno alla terra. Una tale torre sarebbe un’alternativa al trasporto basato su razzi e ridurrebbe drasticamente la quantità di energia necessaria per entrare nello spazio. Oltre a ciò, possiamo immaginare megastrutture spaziali di molti chilometri, alimentate dall’energia solare, forse che comprendono interi pianeti o persino stelle.
Negli ultimi anni, gli ingegneri sono stati in grado di costruire su scale più grandi grazie alla resistenza e all’affidabilità di sostanze come le nuove leghe di acciaio. Ma mentre entriamo nel regno delle megastrutture—quelle di 1.000 km o più di dimensione—mantenere la sicurezza e l’integrità strutturale è diventata una sfida diabolica. Questo perché più grande diventa qualcosa, più stress sperimenta a causa del suo peso e delle sue dimensioni (“stress” è una misura della tensione meccanica, come quando si tira qualcosa da entrambe le estremità o lo si stringe insieme. “Forza” è la massima tensione che una struttura può sopportare prima che si rompa).
Si scopre che la progettazione biologica, dotata di circa 3,8 miliardi di anni di esperienza, potrebbe aiutare a risolvere questo puzzle. Prima dell’età della scienza dei materiali, gli ingegneri dovevano guardare alla natura per trucchi creativi per aiutarli a superare le restrizioni dei loro materiali. Le civiltà classiche, ad esempio, truccavano le loro macchine da guerra con tendini contorti fatti di pelli di animali, che potevano estendersi e scattare indietro per lanciare proiettili contro il nemico. Ma poi arrivarono sostanze come l’acciaio e il cemento, che divennero successivamente più dure e leggere.
Ciò ha portato a una sotto-disciplina nota come “reliability engineering.”I progettisti hanno iniziato a realizzare strutture che erano molto più forti del carico massimo possibile che dovevano sopportare—il che significava che lo stress sui materiali rimaneva entro un intervallo in cui la probabilità di rottura era molto bassa. Una volta che le strutture si trasformano in megastrutture, tuttavia, i calcoli mostrano che questo approccio avverso al rischio pone un limite alle loro dimensioni. Le megastrutture spingono necessariamente i materiali ai loro limiti e rimuovono il lusso degli agenti atmosferici livelli confortevoli di stress.
Tuttavia, né le ossa né i tendini del nostro corpo godono di questo lusso. In effetti, sono spesso compressi e allungati ben oltre il punto in cui ci si potrebbe aspettare che le loro sostanze sottostanti si rompano. Eppure queste componenti dei corpi umani sono ancora molto più ‘affidabili’ di quanto la loro pura forza materiale suggerirebbe. Ad esempio, la semplice corsa può spingere il tendine di Achille a oltre il 75 per cento della sua resistenza alla trazione, mentre i sollevatori di pesi possono sperimentare sollecitazioni di oltre il 90 per cento della forza delle loro spine lombari, quando sono hefting centinaia di chilogrammi.
Come fa la biologia a gestire questi carichi? La risposta è che i nostri corpi riparano e riciclano costantemente i loro materiali. Nei tendini, le fibre di collagene vengono sostituite in modo tale che, mentre alcune sono danneggiate, il tendine generale sia sicuro. Questa costante autoriparazione è efficiente e poco costosa e può cambiare in base al carico. In effetti, tutte le strutture e le cellule del nostro corpo sono in costante rotazione; si stima che quasi il 98% degli atomi nel corpo umano vengano sostituiti ogni anno.
Recentemente abbiamo applicato questo paradigma di autoriparazione per vedere se è possibile costruire un ascensore spaziale affidabile con materiali disponibili. Un progetto comune proposto presenta un cavo lungo 91.000 km (chiamato tether), che si estende dall’equatore e bilanciato da un contrappeso nello spazio. Il tether sarebbe costituito da fasci di fibre parallele, simili a fibre di collagene nei tendini o osteoni nelle ossa, ma realizzati in Kevlar, un materiale trovato in giubbotti antiproiettile e a prova di coltello.
Utilizzando sensori e software artificialmente intelligenti, sarebbe possibile modellare matematicamente l’intero tether in modo da prevedere quando, dove e come le fibre si romperebbero. E quando lo hanno fatto, scalatori robotici veloci pattugliano su e giù per la cavezza li sostituirebbe, regolando il tasso di manutenzione e riparazione, se necessario—imitando la sensibilità dei processi biologici. Nonostante il funzionamento a stress molto elevato rispetto a ciò che i materiali possono sostenere, abbiamo dimostrato che questa struttura sarebbe affidabile e non richiederebbe tassi esorbitanti di sostituzione. Inoltre, la massima resistenza che il materiale avrebbe bisogno di possedere per ottenere una struttura affidabile è stata tagliata di un impressionante 44 per cento.
Questo approccio bio-ispirato all’ingegneria può anche aiutare le strutture quaggiù sulla Terra, come ponti e grattacieli. “Sfidando” i nostri materiali e dotando i sistemi di meccanismi autonomi di riparazione e sostituzione, possiamo superare i limiti attuali migliorando l’affidabilità.
Per avere un’idea dei vantaggi di operare più vicino al limite della resistenza alla trazione, guarda un ponte sospeso, che coinvolge lunghezze di corda d’acciaio che si immergono nel mezzo. L’ostacolo principale per aumentare la campata del ponte è che, mentre usiamo corde più lunghe, diventano più pesanti e si rompono sotto il loro stesso peso. Se la corda è allungata a non più del 50% della sua forza totale, la portata massima è di circa 4 km; ma quando allungato fino al 90 per cento della sua forza, la campata aumenta drammaticamente a più di 7,5 km. Tuttavia, garantire che il cavo sia sicuro richiederà la sostituzione delle fibre di acciaio in un processo messo a punto, proprio come nei sistemi biologici.
Le megastrutture non sono più fantascienza. Mai dissuasi dal crollo della Torre di Babele, come raccontato nell’Antico Testamento, gli esseri umani hanno continuato a costruire più grandi e più alti e più veloci, alimentati da enormi progressi nella scienza e nella tecnologia. Eppure, secondo gli standard dell’ingegneria dell’affidabilità classica, siamo ancora lontani. Invece abbiamo bisogno di un nuovo paradigma, uno che si concentra non solo sulla forza materiale, ma sulle capacità ricostruttive intrinseche dei sistemi. Dovremmo guardare oltre la generosità della vita biologica intorno a noi e fiducia c’è molto da imparare dalla spazzata della storia evolutiva.
Questo articolo è stato originariamente pubblicato su Aeon ed è stato ripubblicato sotto Creative Commons.
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