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.

Все это привело к появлению поддисциплины «инженерия по надежности». Дизайнеры начали разрабатывать сооружения, которые были гораздо сильнее, чем максимально возможная нагрузка, для которой они предназначены, что означало, что механическое напряжение в материалах оставалось в диапазоне, где возможность поломки максимально мала. Но, согласно расчетам, как только сооружения превращаются в мегасооружения, подход, основанный на уменьшении рисков и повышении безопасности, накладывает предел на возможные размеры здания. Мегасооружения обязательно выжимают максимум из используемых материалов, что не позволяет сохранить механическое напряжение на допустимом уровне.

Однако в нашем организме ни кости, ни сухожилия не находятся в пределах допустимого риска. Фактически, они часто сдавливаются и растягиваются сильнее уровня, при котором материалы, из которых они состоят, по идее должны ломаться. Тем не менее части человеческого тела все равно более «надежны», чем того предполагает прочность материалов. Например, даже простой бег может нагружать Ахиллесово сухожилие более чем на 75% от предела его прочности, а тяжелоатлеты и вовсе нагружают поясничный отдел позвоночника на 90%, когда поднимают сотни килограммов.

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