Як побудувати вежу до самого космосу?
Людське бажання створювати все більші і вражаючі споруди ненаситно. Єгипетські піраміди, Велика Китайська стіна і Бурдж-Халіфа в Дубаї - найвища споруда на сьогоднішній день (828 метрів) - все це результат роботи людей, вичавлюють максимум з інженерних можливостей свого часу. Однак високі споруди - це не тільки пам'ятники людським амбіціям: вони можуть зіграти ключову роль у розвитку людства в епоху космічного століття.
😼 Koteika pro - твій науково-популярний рай, де навіть коти розумнішають: космос, технології, мистецтво, наука та інші радощі сучасного світу.
Сьогодні широко обговорюються пропозиції про побудову «космічного ліфта»: окремої вежі, здатної дістати до геостаціонарної орбіти Землі. Така вежа може стати альтернативою ракетному транспорту і значно скоротити енергетичні витрати, необхідні для того, щоб потрапити в космос.
В останні роки інженерам вдавалося будувати споруди набагато великих розмірів завдяки міцності і надійності сучасних матеріалів, зокрема нових сталевих сплавів. Але коли мова йде про мегаспоруди ( будівлі висотою в тисячу кілометрів і вище) підтримка безпеки і структурної цілісності стає диявольськи складним завданням.
Це пов'язано з тим, що чим вища споруда, тим більша механічна напруга, яку вона відчуває через свої розміри і вагу.
Виявляється, біологічний дизайн, що з'явився в результаті накопиченого за майже чотири мільярди років досвіду, може допомогти у вирішенні проблеми. До виникнення матеріалознавства інженерам доводилося спостерігати за природою в пошуках незвичайних рішень, здатних подолати обмеження матеріалів.
Так, стародавні цивілізації будували свою військову техніку, відтворюючи структуру сухожиль за допомогою натягнутих шкур тварин. Отриманий механізм міг розтягуватися і стискатися, щоб запустити снаряд на ворога. Але потім з'явилися такі матеріали, як сталь і бетон, які виявилися набагато міцніше і легше своїх попередників.
Все це призвело до появи піддисциплін «інженерія з надійності» та інших. Дизайнери почали розробляти споруди, які були набагато сильніше, ніж максимально можливе навантаження, для якого вони призначені, що означало - механічна напружуга в матеріалах залишалося в діапазоні, де можливість поломки максимально мала.
Але, згідно з розрахунками, як тільки споруди перетворюються в мегаспоруди, підхід, заснований на зменшенні ризиків і підвищенні безпеки, накладає межі на можливі розміри будівлі. Мегаспоруди обов'язково вичавлюють максимум з використовуваних матеріалів, що не дозволяє зберегти механічну напругу на достатньому рівні.
Однак в нашому організмі ні кістки, ні сухожилля не перебувають в межах достатнього ризику. Фактично, вони часто стискаються і розтягуються сильніше рівня, при якому матеріали, з яких вони складаються, по ідеї, повинні ламатися. Проте частини людського тіла все одно більше «надійні», ніж того передбачає міцність матеріалів.
Наприклад, навіть простий біг може навантажувати Ахіллесове сухожилля більш ніж на 75% від межі його міцності, а важкоатлети і зовсім навантажують поперековий відділ хребта на 90%, коли піднімають сотні кілограмів.
Як біологія справляється з такими навантаженнями?
Відповідь полягає в тому, що наше тіло постійно лагодить і відтворює матеріали, з яких воно складається. Колагенові волокна в сухожиллях замінюються таким чином, що, поки деякі з волокон пошкоджені, в цілому сухожилля знаходиться в безпеці. Це постійне самовідновлення ефективно, незатратно і може змінюватися в залежності від навантаження. Звичайно, всі структури і клітини в нашому тілі постійно замінюються; за деякими оцінками, майже 98% атомів в людському тілі змінюється протягом року.
Нещодавно інженери з Балтимору застосували цю парадигму самовідновлення на практиці, щоб дізнатися, чи можливо побудувати надійний космічний ліфт, використовуючи доступні матеріали. Запропонований ними дизайн заснований на кабелі (тросі) довжиною в дев'яносто одну тисячу кілометрів, який бере початок в районі екватора і закінчується в космосі, де буде знаходитися противага.
Трос буде складатися з зв'язок паралельних волокон, які повторюють будову колагенових волокон в кістках, але створених з кевлара - матеріалу, що застосовується при створенні бронежилетів.
Використовуючи сенсори і програмне забезпечення на основі штучного інтелекту, можна буде відтворити модель таким чином, щоб була можливість математично передбачити, коли, де, і як розірвуться волокна. В такому випадку, коли це станеться, спеціальні роботи, що пересуваються вздовж усього троса, зможуть замінити їх з урахуванням рівня ушкодження і необхідного обслуговування.
Незважаючи на те, що вежа буде піддаватися більшому механічному навантаженню, ніж можуть витримати матеріали, з яких вона складається, структура буде надійна і не зажадає надмірних витрат на заміну своїх складових.
Мегаспоруди більше не наукова фантастика. Описане в Старому Завіті падіння Вавилонської вежі ніколи не зупиняло людей. Ми продовжили будувати і будуємо все більше, вище і швидше, завдяки новим можливостям, що нам дарують наука і технології.
І все ж, згідно зі стандартами класичної інженерії з надійності, ми як і раніше далекі від будівлі споруд висотою з космос. Нам необхідно використовувати нову парадигму, яка концентрується не стільки на міцності матеріалів, скільки на притаманному системам відновному потенціалі.
Далеко ходити за нею не потрібно: достатньо просто вивчити той дар, що піднесла нам навколишнє нас біологічне життя. І повірте, людям є чому повчитися у довгої історії еволюції.
