Человеческое желание создавать все более крупные и впечатляющие сооружения ненасытно. Пирамиды Древнего Египта, Великая Китайская стена и небоскреб Бурдж-Халифа в Дубае-ныне самое высокое сооружение в мире на высоте более 828 метров (2722 фута) - являются следствием доведения инженерной мысли до предела. Но огромные здания-это не только памятники человеческим амбициям они могут также содержать ключ к прогрессу человечества в эпоху космических путешествий. В настоящее время поступают предложения о создании отдельно стоящей башни или "космического лифта", который мог бы выйти на геосинхронную орбиту вокруг Земли. Такая башня была бы альтернативой ракетному транспорту, и резко уменьшила бы количество энергии, которое требуется, чтобы попасть в космос. В последние годы инженеры смогли построить на более крупных масштабах благодаря прочности и надежности таких веществ, как новые стальные сплавы. Но по мере того, как мы входим в сферу мегаструктур – тех, кто имеет 1000 км или более в размерах, – поддержание безопасности и структурной целостности стало дьявольской проблемой. Это потому, что чем больше что-то становится, тем больше стресса он испытывает из-за своего веса и размера. "Стресс" - это мера механического напряжения, например, когда вы отрываете что-то от любого конца или сжимаете его вместе. "Сила" - это максимальное напряжение, которое структура может выдержать, прежде чем она сломается.
Оказывается, что биологический дизайн, оснащенный около 3,8 миллиарда лет опыта, может помочь решить эту головоломку. До наступления эры материаловедения, инженерам пришлось обратиться к природе за творческими уловками, чтобы смочь преодолеть ограничения своих материалов. Классические цивилизации, например, снабжали свои боевые машины скрученными сухожилиями, сделанными из шкур животных, которые могли вытягиваться и откидываться назад, чтобы запускать снаряды во врага. Но затем появились такие вещества, как сталь и бетон, и они стали последовательно жестче и легче. Это привело к возникновению субдисциплины, известной как "проектирование надежности". Конструкторы начали делать конструкции, которые были намного прочнее максимально возможной нагрузки, которую они должны были нести – что означало, что напряжение на материалах оставалось в пределах диапазона, где вероятность поломки была очень низкой. Однако, как только структуры превращаются в мегаструктуры, расчеты показывают, что этот подход к предотвращению риска накладывает ограничение на их размер. Мегаструктуры обязательно подталкивают материалы к их пределам, а роскошь выветривания убирает комфортные уровни напряжений.
Однако ни кости, ни сухожилия в нашем теле не наслаждаются в этой роскоши. На самом деле, они часто сжимаются и растягиваются далеко за пределами точки, в которой можно было бы ожидать, что их основные вещества сломаются. Тем не менее, эти компоненты человеческого тела все еще гораздо более "надежны", чем можно было бы предположить, исходя из их чистой материальной силы. Например, простой бег может подтолкнуть ахиллово сухожилие к более чем 75 процентам его конечной прочности на растяжение, в то время как тяжелоатлеты могут испытывать напряжение более 90 процентов прочности их поясничных шипов, когда они поднимают сотни килограммов.
Как биология справляется с этими нагрузками? Ответ заключается 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 саморемонт эффективен и недорог, а также может меняться в зависимости от нагрузки. Действительно, все структуры и клетки в нашем организме находятся в постоянном обороте. Считается, что почти 98 процентов атомов в человеческом теле заменяются каждый год.
Недавно применили эту парадигму саморемонта, чтобы посмотреть, можно ли построить надежный космический лифт с доступными материалами. Общая предлагаемая конструкция включает в себя кабель длиной 91 000 км (так называемый трос), выступающий от экватора и уравновешенный противовесом в пространстве. Трос будет состоять из пучков параллельных волокон, подобных коллагеновым волокнам в сухожилиях или остеонам в костях, но сделанных из кевлара, материала, найденного в пуленепробиваемых и ножевых жилетах. Используя сенсоры и искусственно созданное интеллектуальное программное обеспечение, можно было бы смоделировать весь трос математически, чтобы предсказать, когда, где и как волокна будут разрываться. И когда они это делали, быстрые роботы – альпинисты, патрулирующие вверх и вниз по тросу, заменяли их, регулируя скорость обслуживания и ремонта по мере необходимости-имитируя чувствительность биологических процессов. Несмотря на работу при очень высоких напряжениях по сравнению с тем, что могут выдержать материалы, было видно, что эта структура будет надежной и не потребует запредельных темпов замены. Кроме того, максимальная прочность материала, которой он должен был бы обладать 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. "Бросая вызов" нашим материалам, а также оснащая системы автономными механизмами ремонта и замены, мы можем превысить текущие ограничения, одновременно повышая надежность. Чтобы получить представление о преимуществах работы ближе к пределу прочности на растяжение, посмотрите на подвесной мост, включающий в себя отрезки стального троса, которые погружаются в середину. Главным препятствием для увеличения пролета моста является то, что по мере использования более длинных канатов они становятся тяжелее и ломаются под собственным весом. Если канат растянут не более чем на 50% от его общей прочности, то максимальный пролет составляет около 4 км; однако при растяжении до 90% его прочности пролет резко увеличивается и составляет более 7,5 км. Однако, чтобы обеспечить безопасность кабеля, потребуется замена стальных волокон в тонко настроенном процессе, как и в биологических системах.
Мегаструктуры больше не являются научной фантастикой. Никогда не обескураженные падением Вавилонской башни, как рассказывается в Ветхом Завете, люди продолжали строить больше, выше и быстрее, подпитываемые огромными достижениями в науке и технике. Но по стандартам классической техники надежности мы все еще очень далеки. Вместо этого нам нужна новая парадигма, которая фокусируется не только на материальной прочности, но и на врожденных реконструктивных способностях систем. Мы не должны смотреть дальше, чем на изобилие биологической жизни вокруг нас, и верить, что есть много чему поучиться у размаха эволюционной истории.