Человеческое желание создавать все более крупные и впечатляющие сооружения ненасытно. Египетские пирамиды, Великая Китайская стена и Бурдж-Халифа в Дубае — самое высокое сооружение на сегодняшний день (828 метров) — все это результат работы людей, выжимающих максимум из инженерных возможностей своего времени. Однако высокие постройки — это не только памятники человеческим амбициям: они могут сыграть ключевую роль в развитии человечества в эпоху космического века.Сегодня широко обсуждаются предложения о построении «космического лифта»: отдельно стоящей башни, способной достать до геостационарной орбиты Земли. Такая башня может стать альтернативой ракетному транспорту и значительно сократить энергетические затраты, необходимые для того, чтобы попасть в космос. Более того, мы можем представить появление многокилометровых космических мегасооружений, работающих на солнечной энергии, и, возможно, охватывающих целые планеты или даже звезды.
В последние годы инженерам удавалось строить сооружения гораздо больших размеров благодаря прочности и надежности современных материалов, в частности новых стальных сплавов. Но когда речь идет о мегасооружениях — постройках высотой тысячу километров и выше — поддержание безопасности и структурной целостности становится дьявольски сложной задачей. Это связано с тем, что чем выше сооружение, тем большее механическое напряжение оно испытывает из-за своих размеров и веса. («Механическое напряжение» возникает, например, когда вы что-нибудь растягиваете или сжимаете. «Прочность» — максимальное механическое напряжение, которое может выдержать здание перед тем, как начнет рушиться.)
Оказывается, биологический дизайн, появившийся в результате накопленного за почти четыре миллиарда лет опыта, может помочь в решении проблемы. До возникновения материаловедения инженерам приходилось наблюдать за природой в поисках необычных решений, способных преодолеть ограничения их материалов. Так, древние цивилизации строили свою военную технику, воссоздавая структуру сухожилий с помощью натянутых шкур животных. Полученный механизм мог растягиваться и сжиматься, чтобы запустить снаряд во врага. Но затем появились такие материалы, как сталь и бетон, которые оказались гораздо крепче и легче своих предшественников.
Как биология справляется с такими нагрузками? Ответ заключается в том, что наше тело постоянно чинит и воспроизводит материалы, из которых оно состоит. Коллагеновые волокна в сухожилиях заменяются таким образом, что, пока некоторые из волокон повреждены, в целом сухожилие находится в сохранности. Это постоянное самовосстановление эффективно, незатратно, и может изменяться в зависимости от нагрузки. Конечно, все структуры и клетки в нашем теле постоянно заменяются; по некоторым оценкам, почти 98% атомов в человеческом теле сменяется в течение года.
Недавно мы применили эту парадигму самовосстановления на практике, чтобы узнать, возможно ли построить надежный космический лифт, используя доступные материалы. Предложенный нами дизайн основан на кабеле (тросе) длиной в девяносто одну тысячу километров, который берет начало в районе экватора и заканчивается в космосе, где будет находиться противовес. Трос будет состоять из связок параллельных волокон, повторяющих строение коллагеновых волокон в костях, но созданных из кевлара — материала, применяемого при создании бронежилетов. Используя сенсоры и программное обеспечение на основе искусственного интеллекта, можно будет воссоздать модель таким образом, чтобы была возможность математически предсказать, когда, где, и как разорвутся волокна. В таком случае, когда это произойдет, специальные роботы, передвигающиеся вдоль всего троса, смогут заменить их с учетом уровня повреждения и необходимого обслуживания, подражая чуткости биологического процесса. Несмотря на то, что башня будет подвергаться большему механическому напряжению, чем могут выдержать материалы, из которых она состоит, структура будет надежна и не потребует чрезмерных затрат на замену своих составляющих. Более того, необходимая прочность материала, которая требуется для поддержания устойчивости конструкции, была сокращена на впечатляющие 44%.
Кроме того, этот вдохновленный биологией подход к инженерному делу может быть полезен и на Земле — например, при строительстве мостов и небоскребов. «Бросая вызов» нашим материалам и оборудуя системы автономными механизмами замены и починки, мы можем как выйти за рамки существующих при строительстве ограничений, так и улучшить надежность будущих построек. Чтобы понять все плюсы работы с материалами, находящимися на грани своего лимита механического напряжения, взгляните на висячие мосты с их волнообразными железными канатами. Главная проблема, возникающая при увеличении протяженности такого моста, заключается в том, что при увеличении длины канатов увеличивается их масса — это приводит к тому, что они ломаются под собственным весом. Если канат натянут не более чем на 50% от своей предельной прочности, максимальная протяженность моста — четыре километра; но если увеличить напряжение растяжения до 90%, возможная протяженность значительно возрастет и может достичь более чем семи с половиной километров. Однако в таком случае, чтобы поддерживать безопасность моста, необходимо наладить процесс замены стальных волокон каната по принципу биологических систем.
Мегасооружения больше не научная фантастика. Описанное в Ветхом Завете падение Вавилонской башни никогда не останавливало людей. Мы продолжили строить и строим все больше, выше и быстрее, благодаря новым возможностям, что нам дарят наука и технологии. И все же, согласно стандартам классической инженерии по надежности, мы по-прежнему далеки от постройки сооружений высотой с космос. Нам необходимо использовать новую парадигму, которая концентрируется не столько на прочности материалов, сколько на присущем системам восстановительном потенциале. Далеко ходить за ней не нужно: достаточно просто изучить тот дар, что преподнесла нам окружающая нас биологическая жизнь. И поверьте, людям есть чему поучиться у долгой истории эволюции.
Оригинал: Aeon
Автор: Шон Сан и Дэн Попеску
Переводил: Андрей Зубов
Редактировала: Слава Солнцева