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通向太空的“天梯”

时间:2020-01-09 来源:NIEBURG丽堡格
通向太空的“天梯”

自古以来,人类建造了无数令人震惊的建筑,比如古埃及的金字塔、中国的万里长城和目前最高的人类建筑迪拜的哈里法塔(828米)都是极限工程的体现。随着建筑的越来越高,人们已经不满足于只在地面上发展,通过巨型建筑走向太空似乎是另一条通往未来的道路。

通向太空的“天梯”

目前,有人提议建造一个独立的塔楼或"太空电梯",高度可以达到地球同步轨道,这样的塔型建筑将会替代运载火箭,可以频繁的往返与空地之间,这样就大大减少了进入太空所需的能源消耗。

当然,要想完成这一目标,暂且不提需要投入的巨大人力物力,所需要的建筑材料及建筑科技方面的支撑就尤为重要。近年来,由于新型合金钢等材料的强度和可靠性大幅增长,建筑工程师们能够更加大胆的进行建筑设计。但是,当进入到巨型建筑领域,特别是要建造那些高度超过1000公里或更大尺寸的建筑时,维护结构安全和完整性就成为了一个严峻的挑战。这是因为建筑越大,整体质量就越大,各部分结构承受的压力就越大,从而造成了巨大的设计难度。

不过,通过借鉴仿生学领域中的生物设计,建筑工程师们似乎找到了灵感。在材料科学时代之前,工程师们就是通过寻找大自然中创造性的适应能力来帮助他们克服材料方面的限制,这也催生了一个被称为"可靠性工程"的子学科。

面对建造巨型建筑的结构设计挑战,工程师们需要设计比建筑材料本身能够承受的最大载荷多得多的结构,同时还要保持建筑整体的可靠性。

通过研究,工程师们发现人体的骨骼和肌腱经常要承受超过其承受极限的压力和拉伸,比如跑步就会将跟腱拉伸到超过其极限位的75%,而举重运动员在举重时,腰椎可以承受超过其强度90%的压力。

那么,人体究竟是如何承受这些负荷的呢?

答案是我们的身体会不断地修复和循环利用各种组织。在肌腱中,即使一些胶原纤维受损,但整个肌腱是功能良好的,而且随着时间的推移,身体的组织会进行自我修复。同时这种持续的自我修复是有效和廉价的,并可以根据负载发生变化。事实上,我们身体中的所有组织和细胞都在不断的被新生的所替换。

通向太空的“天梯”

受到这样的启发,工程师们试图利用现有的材料根据这种自我修复的模式建造一个可靠的"太空电梯"。这是一个长达91000公里长的缆绳,从赤道向外层空间延伸,最终连接到空间中的平衡物。缆绳由平行成束的凯夫拉纤维组成,类似于人体肌腱中的胶原纤维或骨骼中的骨纤维。这种凯夫拉纤维是制作防弹背心的材料,具有密度低,强度高,韧性好等特点,其强度是同等质量钢铁的5倍,但密度却只有五分之一。

同时,利用传感器和人工智能软件,可以对整个缆绳进行数学建模,从而可以预测纤维何时、何地以及如何断裂。当有断裂的风险发生时,管理者会使用机器人根据需要快速维护和修复。经过测算,使用这种结构材料所需承受的最大强度降低了44%。

巨型建筑不只存在于科幻小说中,在科学技术巨大进步的推动下,人类建造的已经不只是冷冰冰的钢筋水泥,在建筑中注入生命力是未来发展的趋势,鉴于我们身边生物的多样性,相信在进化史的长河中有很多值得学习的东西。

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