Ilustracja artysty dotycząca ogromnego systemu transportu windą kosmiczną. Przyszłe wersje technologii mogą pewnego dnia się naprawić.
(Zdjęcie: © Japan Space Elevator Association)
Nowe badania dowodzą, że windy kosmiczne do promowania pasażerów i ładunków na orbitę mogą być budowane przy użyciu istniejących materiałów, jeśli technologia czerpie inspirację z biologii i naprawia się w razie potrzeby.
Teoretycznie winda kosmiczna składa się z kabla lub wiązki kabli, które rozciągają się na tysiące mil do przeciwwagi w kosmosie. Obrót Ziemi utrzymywałby naprężenie kabla, a pojazdy wspinaczy przesuwałyby się w górę iw dół z prędkością pociągu.
Podróż windą kosmiczną prawdopodobnie potrwa kilka dni. Jednak po zbudowaniu windy kosmicznej podróż w kosmos na technologii może być znacznie tańsza i bezpieczniejsza niż na rakiecie. Technologia windy kosmicznej jest obecnie testowana w prawdziwym życiu w japońskim eksperymencie STARS-Me (skrót od Space Tethered Autonomous Robotic Satellite-Mini Elevator), który przybył na Międzynarodową Stację Kosmiczną 27 września na japońskim robotycznym statku kosmicznym HTV-7 .
Koncepcja windy kosmicznej podobnej do łodygi fasoli sięga czasów „eksperymentu myślowego” z 1895 roku autorstwa rosyjskiego pioniera kosmicznego Konstantina Tsiolkovsky'ego. Od tego czasu takie „megastruktury” często pojawiały się w science fiction. Kluczowym problemem w tworzeniu wind kosmicznych jest zbudowanie kabla wystarczająco mocnego, aby wytrzymać niezwykłe siły, z którymi by się spotkał. [„Filar do nieba”: pytania i odpowiedzi dotyczące windy kosmicznej z udziałem autora Williama Forstchen]
Naturalnym wyborem do budowy kabla windy kosmicznej są rury węglowe o szerokości zaledwie nanometrów lub miliardowych części metra. Poprzednie badania wykazały, że takie nanorurki węglowe mogą okazać się 100 razy silniejsze niż stal przy jednej szóstej masy.
Jednak obecnie naukowcy mogą wytwarzać nanorurki węglowe o długości najwyżej około 21 cali (55 centymetrów). Jedną z możliwości jest zastosowanie kompozytów wypełnionych nanorurkami węglowymi, ale same w sobie nie są wystarczająco mocne.
Teraz naukowcy zasugerowali, że czerpanie inspiracji z biologii może pomóc inżynierom w budowie wind kosmicznych przy użyciu istniejących materiałów. „Mam nadzieję, że zainspiruje to kogoś do zbudowania kosmicznej windy” - powiedział Space.com współautor badań, Sean Sun, inżynier mechanik z Johns Hopkins University w Baltimore.
Inspiracja bio-windą
Naukowcy zauważyli, że kiedy inżynierowie projektują konstrukcje, często wymagają materiałów, aby te konstrukcje działały z połową maksymalnej wytrzymałości na rozciąganie lub mniej. To kryterium ogranicza szanse na uszkodzenie konstrukcji, ponieważ daje im swobodę w radzeniu sobie ze zmianami wytrzymałości materiału lub nieprzewidzianymi okolicznościami. [Czy kiedykolwiek przestaniemy używać rakiet, aby dotrzeć do kosmosu?]
Natomiast u ludzi ścięgno Achillesa rutynowo wytrzymuje bardzo duże obciążenia mechaniczne
najwyższa wytrzymałość na rozciąganie. Naukowcy twierdzą, że biologia może przekraczać granice materiałów ze względu na mechanizmy ciągłej naprawy.
„Dzięki samonaprawie konstrukcje inżynierskie można projektować inaczej i solidniej” - powiedział Sun.
Na przykład silnik, który napędza bicze wici, które wiele bakterii wykorzystuje do napędu, „obraca się z prędkością około 10 000 obrotów na minutę [obroty na minutę], ale aktywnie naprawia i obraca wszystkie jego elementy w skali czasu w minutach” Powiedział Sun. „To tak, jakbyś jechał drogą z prędkością 100 mil na godzinę [160 km / h], jednocześnie wyjmując silniki i skrzynię biegów, aby je wymienić!”
Naukowcy opracowali ramy matematyczne do analizy, jak długo może trwać winda kosmiczna, jeśli części jej uwięzi przypadkowo uległyby zerwaniu, ale megastruktura posiadała samonaprawę
mechanizm. Naukowcy odkryli, że wysoce niezawodna winda kosmiczna jest możliwa przy użyciu obecnie istniejących materiałów, jeśli przeszedłaby umiarkowane tempo napraw, na przykład z robotów.
Na przykład, biorąc pod uwagę komercyjne włókno syntetyczne znane jako M5, „możliwy jest łańcuch o masie 4 miliardów ton”, powiedział Sun. „Jest to około 10 000 razy więcej niż najwyższy budynek na świecie, Burj Khalifa. Bardziej realistycznie, coś w rodzaju kompozytu nanorurkowego wykona zadanie”.
Słońce i główny autor badania, Dan Popescu, doktorant z Johns Hopkins University, szczegółowo opisali swoje wyniki w środę (17 października) w Journal of the Royal Society Interface.
