Как построить башню высотой до космоса?


Небоскрёбы в Дубае, включая Бурдж-Халифа, 2015

Человеческое стремление строить всё более высокие и впечатляющие структуры ненасытно. Пирамиды древнего Египта, Великая китайская стена, Бурдж-Халифа в Дубае – на сегодня высочайшее строение 828 метров в высоту – всё это последствия поиска пределов инженерных возможностей. Однако огромные здания служат не только монументами человеческим амбициям: они могут стать ключом к прогрессу человечества в космический век.

Сейчас существует уже несколько предложений по строительству отдельно стоящей башни, или “космического лифта”, который мог бы достичь геосинхронной орбиты Земли. Такая башня стала бы альтернативой ракетному транспорту и кардинально уменьшила бы количество энергии, необходимое для выхода в космос. Кроме того, мы можем представить себе космические мегаструктуры высотой во много километров, питаемые солнечной энергией, и окружающие целые планеты или даже звёзды.

В последние годы благодаря прочности и надёжности таких веществ, как современные стальные сплавы, инженеры могут создавать всё более крупные структуры. Но при вторжении в область мегаструктур, чьи размеры превышают 1000 км, поддержка безопасности и целостности становится дьявольски трудной задачей. Ведь чем больше структура, тем больше нагрузки она испытывает из-за своего веса и размера. Нагрузка измеряется в механическом натяжении, когда вы растягиваете предмет с концов или сжимаете его. Прочность – это максимальное напряжение структуры, при котором она ещё не разрушается.

Оказывается, что биологический дизайн, вооружённый опытом в 3,8 млрд лет, может помочь нам решить и эту загадку. До эпохи материаловедения инженерам приходилось обращаться к природе в поиске творческих уловок, которые помогли бы им преодолевать ограничения материалов. Классические цивилизации, к примеру, изготавливали боевые машины, способные растягиваться и вновь сжиматься, запуская метательные снаряды во врага, из перекрученных жил, сделанных из шкуры животных. А потом появились такие материалы, как сталь и бетон, и они начали становиться всё прочнее и легче.

Это привело к появлению такой смежной дисциплины, как техника обеспечения надёжности. Дизайнеры начали создавать структуры, прочность которых сильно превышала необходимую нагрузку – то есть, нагрузка на материалы оставалась в промежутке, в котором вероятность разрушения была весьма низкой. Однако при превращении структур в мегаструктуры расчёты показывают, что такой подход с низкими рисками накладывает ограничение на их размер. Мегаструктурам приходится выжимать из материалов всё возможное, лишая их роскоши комфортабельного уровня нагрузки.

Однако кости и сухожилия нашего тела такой роскоши не имеют. Они на самом деле часто сжимаются и растягиваются, выходя за те пределы, за которыми, как ожидается, эти материалы должны начать разрушаться. Однако же эти компоненты человеческих тел гораздо более надёжны, чем мог бы обещать один лишь составляющий их материал. К примеру, простой бег напрягает ахиллесово сухожилие на 75% от максимально возможного его натяжения, а тяжелоатлеты испытывают нагрузку на поясничный отдел позвоночника, равную 90% от максимальной, поднимая сотни килограмм.

Как биология справляется с такими нагрузками? Наши тела постоянно чинят сами себя и перерабатывают свой материал. В сухожилиях волокна заменяются так, что, несмотря на наличие нескольких повреждённых волокон, в целом сухожилия остаются в рабочем состоянии. Это постоянное восстановление эффективное и недорогое, и может меняться в зависимости от нагрузок. Все структуры нашего тела находятся в процессе постоянного обновления. Примерно 98% всех атомов человеческого тела меняются за год.

Оплатите подписку, и реклама отключится

Недавно мы применили эту парадигму самовосстановления, чтобы узнать, можно ли сделать надёжный космический лифт при помощи существующих материалов. Распространённая схема предполагает изготовление кабеля длиной 91 000 км (под названием привязь), простирающегося с экватора, на конце которого балансирует противовес, находящийся в космосе. Привязь должна состоять из пучков параллельных волокон, похожих на коллагеновые волокна сухожилий или остеоны в костях, но состоять из кевлара, материала, из которого делают пуленепробиваемые и непрорезаемые ножом жилеты. Используя датчики и софт с возможностями ИИ, возможно смоделировать всю привязь математически так, чтобы предсказать, где, когда и как будут рваться волокна. Когда они будут рваться, быстрые роботы, патрулирующие привязь, должны их заменять, по необходимости подстраивая скорость обслуживания и ремонта – имитируя чувствительность биологических процессов. Несмотря на то, что эта структура будет работать с нагрузками, превышающими те, что могут выдерживать материалы, мы показали, что она сможет оставаться надёжной и не потребует непомерно частой замены. Более того, максимальная прочность материала, необходимая для создания надёжной структуры, уменьшается на 44%.

Такой подход на основе биологии может помочь и в создании наземных структур, например, мостов и небоскрёбов. Выжимая все возможности из материалов, и оборудуя структуры системами автономной починки и замены, мы можем преодолеть существующие ограничения, увеличив надёжность. Чтобы представить себе преимущества работы в режиме, приближающемся к ограничениям нагрузки на материал, представьте себе подвесной мост из стальных тросов, провисающих в середине. Главной проблемой увеличения длины моста будет то, что чем длиннее трос, тем он тяжелее, и в итоге он рвётся под своей тяжестью. Если растянуть трос на 50% от максимальной нагрузки, максимальная длина моста составит 4 км. Но если растянуть его на 90% нагрузки, то максимальная длина увеличивается до 7,5 км. Однако для гарантии безопасности троса потребуется ювелирная замена волокон, как это происходит в биологических системах.

Мегаструктуры перестают быть научной фантастикой. Людей не отпугнуло падение Вавилонской башни, описанное в Ветхом завете, и они продолжают строить всё выше, больше и быстрее, подгоняемые невероятными успехами науки и технологии. Однако, по стандартам классических специалистов по технике обеспечения надёжности, мы ещё не достигли своих пределов. Нам нужна новая парадигма, концентрирующаяся не только на прочности материала, но и на внутренних возможностях систем по самостоятельному ремонту. Нам не нужно вести поиски где-то далеко при наличии у нас перед глазами чуда биологической жизни, и мы можем верить в то, что у истории эволюции есть, чему научиться.

Источник

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

1,124 просмотров всего, 4 просмотров сегодня

Ещё записи на эту тему

Почему растрескавшаяся кора Земли может оказаться необходимой для жизни... Для жизни требуется не только вода. Недавние открытия говорят о том, что тектоника плит сыграла решающую роль в зарождении жизни на Земле. Последствия открытий серьёзно повлияют на поиски жизни в друг...
Чтобы понять вулканы других миров, надо сначала забраться на наши... Розали Лопес побывала на десятках активных вулканов Земли и открыла ещё больше вулканов в Солнечной системе. Её работа позволяет установить, могут ли вулканы на дальних лунах создать дружественные для...
Как пережить конец света: передовые технологии, которые могут помочь нам справиться с неизбежными из... Давайте будем оптимистами, и представим, что мы смогли избежать ядерного самоистребления, астероида, способного уничтожить жизнь на Земле и смертельного излучения вспыхнувшей рядом сверхновой. Тог...
Мы практически не используем найденные окаменелости Большая их часть томится в музейных хранилищах. Не пора ли откопать их заново? Представьте себе: 1918-й год, вы идёте по калифорнийскому пляжу, и вдруг ваш большой палец обо что-то ударяется. Вы ...