vad skulle det ta att bygga ett torn så högt som yttre rymden?
den mänskliga önskan att skapa allt större och mer imponerande strukturer är omättlig. Pyramiderna i Forntida Egypten, kinesiska muren och Burj Khalifa i Dubai—nu den högsta byggnaden i världen på över 828 meter (2722 fot)—är en följd av att driva teknik till dess gränser. Men stora byggnader är inte bara monument till mänsklig ambition: de kan också hålla nyckeln till mänsklighetens framsteg i rymdåldern.
förslag cirkulerar nu för ett fristående torn eller” rymdhiss ” som kan nå upp i den geosynkrona banan runt jorden. Ett sådant torn skulle vara ett alternativ till raketbaserad transport och drastiskt minska mängden energi som krävs för att komma in i rymden. Utöver det kan vi föreställa oss rymdbaserade megastrukturer många kilometer i storlek, drivna av solenergi, kanske omfattar hela planeter eller till och med stjärnor.
under de senaste åren har ingenjörer kunnat bygga på större skalor tack vare styrkan och tillförlitligheten hos ämnen som nya stållegeringar. Men när vi går in i megastrukturernas rike—de på 1000 km eller mer i dimension—har upprätthållandet av säkerhet och strukturell integritet blivit en djävulsk utmaning. Det beror på att ju större något blir, desto mer stress upplever det på grund av sin vikt och storlek (”stress” är ett mått på mekanisk spänning, som när du drar något ifrån varandra eller klämmer ihop det. ”Styrka” är den maximala spänning som en struktur tål innan den går sönder).
det visar sig att biologisk design, utrustad med cirka 3,8 miljarder års erfarenhet, kan hjälpa till att lösa detta pussel. Innan materialvetenskapens ålder var ingenjörer tvungna att leta efter naturen för kreativa knep för att hjälpa dem att övervinna begränsningarna i deras material. Klassiska civilisationer, till exempel, soppade sina krigsmaskiner med vridna senor gjorda av djurhudar, som kunde sträcka sig och snäppa tillbaka för att starta projektiler mot fienden. Men då kom ämnen som stål och betong och blev successivt hårdare och lättare.
detta ledde till en underdisciplin som kallades ”reliability engineering.”Designers började göra strukturer som var mycket starkare än den maximala möjliga belastningen de behövde bära—vilket innebar att stressen på materialen stannade inom ett område där sannolikheten för brott var mycket låg. När strukturer förvandlas till megastrukturer, fastän, beräkningar visar att detta riskavvikande tillvägagångssätt placerar ett lock på deras storlek. Megastrukturer nödvändigtvis driva material till sina gränser, och ta bort lyxen av vittring bekväma nivåer av stress.
men varken benen eller senorna i våra kroppar njuter av denna lyx. Faktum är att de ofta komprimeras och sträcker sig långt bortom den punkt där deras underliggande ämnen kan förväntas bryta. Ändå är dessa komponenter i mänskliga kroppar fortfarande mycket mer ’tillförlitliga’ än deras rena materialstyrka skulle föreslå. Till exempel kan bara springa driva akillessenen till över 75 procent av sin ultimata draghållfasthet, medan viktlifter kan uppleva spänningar på över 90 procent av styrkan i ländryggen, när de heftar hundratals kilo.
hur hanterar biologi dessa belastningar? Svaret är att våra kroppar ständigt reparerar och återvinner sina Material. I senor ersätts kollagenfibrer på ett sådant sätt att, medan vissa är skadade, är den totala senan säker. Denna ständiga självreparation är effektiv och billig och kan ändras baserat på belastningen. Faktum är att alla strukturer och celler i våra kroppar är i konstant omsättning; det uppskattas att nästan 98 procent av atomerna i människokroppen byts ut varje år.
vi tillämpade nyligen detta självreparationsparadigm för att se om det är möjligt att bygga en pålitlig rymdhiss med tillgängliga material. En gemensam föreslagen design har en 91 000 km lång kabel (kallad tether), som sträcker sig ut från ekvatorn och balanseras av en motvikt i rymden. Bindningen skulle bestå av buntar av parallella fibrer, liknande kollagenfibrer i senor eller osteoner i ben, men gjorda av Kevlar, ett material som finns i skottsäkra och knivsäkra Västar.
med hjälp av sensorer och artificiellt intelligent programvara skulle det vara möjligt att modellera hela tether matematiskt för att förutsäga när, var och hur fibrerna skulle bryta. Och när de gjorde det, skulle snabba robotklättrare som patrullerade upp och ner i tether ersätta dem, justera underhålls—och reparationshastigheten efter behov-efterlikna känsligheten hos biologiska processer. Trots att vi arbetar med mycket hög stress jämfört med vilka material som kan upprätthålla, visade vi att denna struktur skulle vara tillförlitlig och inte kräva orimliga ersättningsnivåer. Dessutom, den maximala styrkan materialet skulle behöva ha för att uppnå en pålitlig struktur skars med en imponerande 44 procent.
denna bioinspirerade metod för teknik kan också hjälpa strukturer här nere på jorden, som broar och skyskrapor. Genom att” utmana ” våra material och utrusta system med autonoma reparations-och ersättningsmekanismer kan vi överskrida nuvarande begränsningar samtidigt som vi förbättrar tillförlitligheten.
för att få en känsla av fördelarna med att arbeta närmare gränsen för draghållfasthet, titta på en hängbro, som involverar längder av stålrep som doppar i mitten. Huvudhindret för att öka broens spännvidd är att när vi använder längre rep blir de tyngre och går sönder under egen vikt. Om repet sträcker sig till högst 50 procent av sin totala styrka, är den maximala spänningen ca 4 km; men när den sträcker sig upp till 90 procent av sin styrka ökar spännvidden dramatiskt till mer än 7,5 km. Att säkerställa att kabeln är säker kräver dock att stålfibrer byts ut i en finjusterad process, precis som i biologiska system.
megastrukturer är inte längre science fiction. Aldrig avskräckt av kollapsen av Babels torn, som berättas i Gamla Testamentet, har människor fortsatt att bygga större och högre och snabbare, drivna av enorma framsteg inom vetenskap och teknik. Men enligt standarderna för klassisk tillförlitlighetsteknik är vi fortfarande långt borta. Istället behöver vi ett nytt paradigm, ett som inte bara fokuserar på materialstyrka utan på systemens inneboende rekonstruktiva kapacitet. Vi borde inte leta längre än det biologiska livets rikedom omkring oss och lita på att det finns mycket att lära av den evolutionära historiens svep.
denna artikel publicerades ursprungligen på Aeon och har publicerats under Creative Commons.
bildkredit: rolig Lösningsstudio/. com