Что нужно, чтобы построить башню высотой до Космоса?
Желание человека создавать все более крупные и впечатляющие сооружения ненасытно. Пирамиды Древнего Египта, Великая Китайская стена и Бурдж—Халифа в Дубае—в настоящее время самое высокое здание в мире на высоте более 828 метров - являются следствием технологического прогресса. Но огромные здания-это не только памятники человеческим амбициям: они также могут быть ключом к прогрессу человечества в космическую эпоху.
В настоящее время поступают предложения о создании отдельно стоящей башни или “космического лифта”, который мог бы выйти на геосинхронную орбиту вокруг Земли. Такая башня станет альтернативой ракетному транспорту и резко сократит количество энергии, необходимое для выхода в космос. Кроме того, мы можем представить себе космические мегаструктуры размером в много километров, работающие на солнечной энергии, возможно, охватывающие целые планеты или даже звезды.
В последние годы, инженеры могли построить на более грандиозных благодаря масштабу, прочност и надежность веществ как новые стальные сплавы. Но по мере того, как мы входим в сферу мегаструктур—те из 1000 км или более в измерении—поддержание безопасности и структурной целостности стало большой проблемой. Это потому, что чем больше что-то становится, тем больше стресса оно испытывает из-за своего веса и размера (“стресс” - это мера механического напряжения, например, когда вы тянете что-то или сжимаете. "Прочность" максимальное напряжение, которое структура может выдержать прежде чем разрушится).
Оказывается, что биологический дизайн, имеющий тысячи лет опыта, может помочь решить эту головоломку. До эпохи материаловедения инженерам приходилось искать в природе творческие приемы, помогающие им преодолевать ограничения в материалах. Классические цивилизации, например, создавали свои военные машины с закрученными сухожилиями из шкур животных, которые могли расширяться, чтобы запускать снаряды во врага. Но затем появились такие вещества, как сталь и бетон, и они стали последовательно жестче и легче.
Это привело к субдисциплине, известной как " инженерия надежности.". Проектировщики начали создавать конструкции, которые были намного сильнее, чем максимально возможная нагрузка, которую они должны были нести—это означало, что нагрузка на материалы оставалась в пределах диапазона, где вероятность поломки была очень низкой. Однако, как только структуры превращаются в мегаструктуры, расчеты показывают, что этот подход, избегающий риска, накладывает ограничение на их размер.
Однако, ни кости, ни сухожилия в наших телах не имеют этой роскоши. Тем не менее, эти компоненты человеческого тела по-прежнему гораздо более "надежны", чем предполагала бы их чистая материальная сила. Например, просто бег может подтолкнуть ахиллово сухожилие к более чем 75 процентам его максимальной прочности на растяжение, в то время как тяжелоатлеты могут испытывать стрессы более чем на 90 процентов от силы их поясничных дисков, когда они поднимают сотни килограмм.
Как биология справляется с этими нагрузками? Ответ в том, что наши органы постоянно ремонтируют и перерабатывают свои материалы. В сухожилиях коллагеновые волокна заменяются таким образом, что, хотя некоторые из них повреждены, общее сухожилие безопасно. Этот постоянный само-ремонт эффективен и недорог. Действительно, все структуры и клетки в нашем теле находятся в постоянном обороте; по оценкам, почти 98 процентов атомов в человеческом теле заменяются каждый год.
Недавно ученые применили эту парадигму саморемонта, чтобы увидеть, возможно ли построить надежный космический лифт с доступными материалами. Общая предлагаемая конструкция имеет кабель длиной 91 000 км (называемый тросом), выходящий из экватора и уравновешенный противовесом в пространстве. Трос будет состоять из Пучков параллельных волокон, похожих на коллагеновые волокна в сухожилиях или костях, но сделанных из кевлара, материала, используемого в пуленепробиваемых жилетах.
Используя датчики и искусственно интеллектуальное программное обеспечение, можно было бы математически смоделировать весь трос, чтобы предсказать, когда, где и как волокна сломаются. И когда они это делали, быстрые роботы—альпинисты, патрулирующие вверх и вниз по тросу, заменяли бы их, регулируя скорость обслуживания и ремонта по мере необходимости, имитируя чувствительность биологических процессов. Несмотря на необходимость работать на очень высоком напряжении, исследователи показали что эта структура была бы надежна и не потребовала бы непомерных затрат. Кроме того, максимальная прочность материала, необходимая для достижения надежной структуры, была сокращена на впечатляющие 44 процента.
Этот био-вдохновленный подход к проектированию может также помочь структурам здесь, на Земле, таким как мосты и небоскребы. Используя новые материалы и системы с автономными механизмами ремонта и замены, мы можем превысить настоящие ограничения.
Для того чтобы получить чувство преимуществ работать ближе к пределу прочности на растяжение, посмотрите висячий мост, включая длины стальной трос. Основное препятствие для увеличения пролета моста заключается в том, что при использовании более длинных канатов они утяжеляются и ломаются под собственным весом. Если торс растягивается не более чем на 50% от ее общей прочности, максимальный пролет составляет около 4 км; но при растяжении до 90% ее прочности пролет резко увеличивается до более чем 7,5 км. Однако, сделать кабель безопасным потребует стальных волокон и тонкий механизм замены, как и в биологических системах.
Но по стандартам классической надежности техники, нам еще далеко. Вместо этого нам нужна новая парадигма, которая фокусируется не только на материальной силе, но и на свойственных системам реконструктивных способностях.