Matematyk i inżynier mechanik na Uniwersytecie Johnsa Hopkinsa

Matematyk i inżynier mechanik z Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa w Stanach Zjednoczonych zasugerowali, że jeśli producenci wind zastosują więcej technik biologicznych, dostosują ocenę ryzyka i zbudują zautomatyzowane roboty naprawcze, w najbliższej przyszłości zbudują przestrzeń. Winda jest całkowicie możliwa.
Sina Technology News Czas pekiński, 11 czerwca, według doniesień zagranicznych mediów, windy kosmiczne od dawna są jednym z tematów science fiction w prawdziwym życiu i jest to również wykonalne dla NASA i innych instytucji. Przedmiot badań. Obecny konsensus inżynierów jest taki, że windy kosmiczne to bardzo dobry pomysł, ale proces budowy wiąże się z ogromnymi naprężeniami i ciśnieniem, a istniejące materiały nie są w stanie spełnić ich wymagań.

Jednak matematyk i inżynier mechanik z Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa w Stanach Zjednoczonych zasugerowali, że dopóki producenci wind zastosują więcej technik biologicznych, dostosują ocenę ryzyka i zbudują zautomatyzowane roboty konserwacyjne, zbudują przyszłość. Windy kosmiczne są całkowicie możliwe.

W raporcie z badań autorzy Dan Popescu i Sean Sun przeprowadzili symulację projektu windy kosmicznej, w ramach której ustalono maksymalne naprężenie i maksymalny uciąg w oparciu o struktury biologiczne (np. więzadła i ścięgna). Obliczany jest stosunek wytrzymałości przedłużenia. Jest to znacznie więcej niż stosunek naprężenia do wytrzymałości stosowany w inżynierii, a zdolność materiału do pochłaniania sił jest co najmniej dwukrotnie większa od siły zrywającej.

Naukowcy podkreślają, że takie stosunki naprężenia do intensywności są akceptowalne w przypadku normalnych projektów inżynierii lądowej, ale w przypadku dużych budynków stosunek ten jest zbyt rygorystyczny, aby kontrolować prawdopodobieństwo awarii. Warto zauważyć, że winda kosmiczna jest bardzo duża i może być największą konstrukcją budowlaną zbudowaną przez człowieka.

Budowa wind kosmicznych umożliwia transport ludzi i materiałów kosmicznych poza atmosferę ziemską. W niektórych projektach wind kosmicznych nie ma wzmianki o konieczności użycia rakiet. Najwcześniejszą koncepcję windy kosmicznej zaproponował rosyjski naukowiec Konstantin Ciołkowski w 1895 roku.

Od 1895 roku naukowcy nadal udoskonalają konstrukcję wind kosmicznych, ale podstawowa konstrukcja windy nie uległa zmianie. Winda kosmiczna zawiera kabel zamocowany na stałe na Ziemi, zwykle rozciągający się w górę na orbitę geostacjonarną – około 35 786 kilometrów od ziemi.

Na górnym końcu liny znajduje się równowaga, grawitacja i skierowana na zewnątrz siła odśrodkowa powodują naprężenie liny, tworząc przedział ładunkowy wzdłuż liny, która porusza się w górę i w dół liny. Głównym problemem tej kosmicznej windy jest to, że nacisk wywierany na wyjątkowo długi kabel jest tak duży, że obecnie nic nie jest w stanie go wytrzymać.

W ciągu ostatnich kilku dekad odbyło się kilka dużych konkursów projektowych i propozycji rozwiązania tego problemu, ale jak dotąd nikomu się to nie udało. Ostatnio zaproponowanym rozwiązaniem był projekt Google X rozpoczęty przez Google w 2014 roku, ale nikomu nie udało się wyprodukować superwytrzymałych kabli z nanorurek węglowych o długości powyżej 1 metra, a plan budowy windy kosmicznej został wstrzymany.

Rozumie się, że nanorurki węglowe są wielką nadzieją dla windy kosmicznej winda marki słowa inżynierów, ale nadzieja ta może zostać zawiedziona. Model badawczy z 2006 roku przewidywał, że w kablu nanorurkowym o długości około 100 000 metrów muszą występować pewne defekty, co zmniejsza ogólną wytrzymałość kabla o 70%.

Propscu w raporcie z badań zaproponował inne rozwiązanie. Chociaż nanorurki węglowe są teoretycznie najlepszym wyborem do kabli wind kosmicznych, obecna technologia nie pozwala na produkcję nanorurek węglowych o długości większej niż kilka centymetrów, dlatego stosuje się nanometry węglowe. Nie ma możliwości wyprodukowania wind kosmicznych. Zaproponował jednak zastosowanie niektórych materiałów kompozytowych - nanorurek węglowych w połączeniu z innymi materiałami, chociaż wytrzymałość jest słabsza niż w przypadku czystych nanorurek węglowych, ale stosujemy mechanizmy samonaprawy, aby zwiększyć wytrzymałość materiału, aby zapewnić stabilność superbudynku.

Ten mechanizm samonaprawy ma kluczowe znaczenie, dlatego badacze zaproponowali konstrukcję kabla, która dzieli jego kierunek na dwie części, w górę, na szereg „ułożonych w stos segmentów”; poprzecznie na szereg „równoległych włókien kabla. Kiedy ulegnie uszkodzeniu któreś z włókien kabla, taka sytuacja często się zdarza, jej wpływ ogranicza się do jego własnej sekcji stosu, a ciężar ładunku jest natychmiast dzielony na kabel równoległy do czasu przybycia robota naprawczego w celu wymiany.

Naukowcy wskazali, że dzięki temu „autonomicznemu mechanizmowi naprawy” windy kosmiczne mogą zapewnić niezawodność przy wysokich poziomach naprężeń, a jednocześnie mogą być wykonane z materiałów o mniejszej wytrzymałości, co przybliża faktyczną wykonalność.

Propscu zwrócił uwagę, że podstawą wszystkich tych modeli wind kosmicznych jest stopniowo malejący współczynnik naprężeń, będący połączeniem standardów projektowania inżynierskiego i zasad biologicznych. Podkreślił, że ścięgna Achillesa i kręgosłup człowieka wytrzymują ogromne naprężenia, bardzo bliskie ich wytrzymałości na rozciąganie, czyli większe niż naprężenia, jakie inżynierowie projektują stal.

Głównym powodem jest to, że przynajmniej w pewnym stopniu ścięgna i kręgosłup mają zdolność samonaprawy, której brakuje materiałom stalowym. Naukowcy uważają, że dodanie biologicznych mechanizmów ścięgien i kręgosłupa do projektu windy kosmicznej oznacza, że nie musimy czekać na nowe, futurystyczne materiały.

Propscu powiedział: „Uważamy, że bardzo duże konstrukcje budowlane, takie jak windy kosmiczne, muszą w pełni uwzględniać możliwość awarii komponentów, a także potrzebować mechanizmu samonaprawy, który umożliwi wymianę uszkodzonych komponentów. Dzięki temu winda kosmiczna będzie pod dużym obciążeniem. Zniszczyć, nie uszkadzając jego integralności. Oznacza to, że możliwe jest budowanie nadbudówek przy użyciu istniejących materiałów!”