Een wiskundige en werktuigbouwkundig ingenieur aan de Johns Hopkins University

Een wiskundige en werktuigbouwkundig ingenieur aan de Johns Hopkins Universiteit in de Verenigde Staten suggereerde dat zolang liftfabrikanten meer biologische technieken toepassen, risicobeoordelingen aanpassen en geautomatiseerde reparatierobots bouwen, ze in de nabije toekomst een ruimte zullen bouwen. De lift is volledig mogelijk.
Sina Technology News Beijing tijd op 11 juni nieuws, volgens berichten in de buitenlandse media zijn ruimteliften lange tijd een van de thema's van science fiction in het echte leven geweest, en dit is ook de haalbaarheid van NASA en andere instellingen. Het onderwerp van onderzoek. De huidige consensus onder ingenieurs is dat ruimteliften een heel goed idee zijn, maar dat het bouwproces enorme stress en druk met zich meebrengt, en dat bestaande materialen niet aan hun eisen kunnen voldoen.

Een wiskundige en werktuigbouwkundig ingenieur aan de Johns Hopkins Universiteit in de Verenigde Staten suggereerden echter dat zolang liftfabrikanten meer biologische technieken toepassen, risicobeoordelingen aanpassen en geautomatiseerde onderhoudsrobots bouwen, ze een toekomst zullen opbouwen. Ruimteliften zijn heel goed mogelijk.

In een onderzoeksrapport simuleerden de auteurs Dan Popescu en Sean Sun het ontwerp van de ruimtelift, waarbij maximale spanning en maximale trekkracht werden gevonden op basis van biologische structuren (bijvoorbeeld ligamenten en pezen). De verhouding van de sterkte van de verlenging wordt berekend. Dit is veel hoger dan de spanning-sterkteverhouding die in de techniek wordt gebruikt, en het vermogen van het materiaal om krachten te absorberen is minstens tweemaal de breekkracht.

De onderzoekers wijzen erop dat dit soort stress-intensiteitsverhoudingen acceptabel zijn voor normale civieltechnische projecten, maar voor grote gebouwen is deze verhouding te strikt om de faalkans te beheersen. Het is vermeldenswaard dat de ruimtelift erg groot is en mogelijk de grootste door mensen gebouwde bouwconstructie is.

Door de constructie van ruimteliften kunnen mensen en ruimtematerialen buiten de atmosfeer van de aarde worden getransporteerd. In sommige ontwerpen van ruimteliften wordt niet gesproken over de noodzaak om raketten te gebruiken. Het vroegste concept van een ruimtelift werd in 1895 voorgesteld door de Russische wetenschapper Konstantin Tsiolkovsky.

Sinds 1895 zijn wetenschappers het ontwerp van ruimteliften blijven verfijnen, maar het basisontwerp van de lift is niet veranderd. De ruimtelift bevat een kabel die stevig op de aarde zit en zich gewoonlijk omhoog uitstrekt in de geostationaire baan – ongeveer 35.786 kilometer boven de grond.

Aan het bovenste uiteinde van de kabel wordt door een balans, zwaartekracht en naar buiten gerichte middelpuntvliedende kracht de kabel op spanning gebracht, waardoor een vrachtruimte langs de kabel ontstaat die op en neer langs de kabel beweegt. Het grootste probleem met deze ruimtelift is dat de druk op de extra lange kabel zo groot is dat niets momenteel voldoende is om deze te weerstaan.

In de afgelopen decennia zijn er enkele grote ontwerpwedstrijden en voorstellen geweest om dit probleem op te lossen, maar tot nu toe is niemand daarin geslaagd. De onlangs voorgestelde oplossing was het Google X-project dat Google in 2014 lanceerde, maar niemand was in staat supersterke koolstofnanobuiskabels van meer dan 1 meter lang te vervaardigen, en het bouwplan voor de ruimtelift werd opgeschort.

Het is duidelijk dat koolstofnanobuisjes een grote hoop bieden voor een ruimtelift woord merk lift ingenieurs, maar deze hoop kan de bodem ingeslagen worden. Een onderzoeksmodel uit 2006 voorspelde dat er bepaalde defecten moesten zijn in de nanobuiskabel van ongeveer 100.000 meter lang, waardoor de algehele sterkte van de kabel met 70% verminderde.

Propscu stelde in het onderzoeksrapport een andere oplossing voor. Hoewel koolstofnanobuisjes theoretisch de beste keuze zijn voor kabels voor ruimteliften, kan de huidige technologie geen koolstofnanobuisjes produceren met een lengte van meerdere centimeters, dus worden koolstofnanometers gebruikt. Het is niet mogelijk om ruimteliften te vervaardigen. Hij stelde echter het gebruik van enkele composietmaterialen voor: koolstofnanobuisjes gecombineerd met andere materialen, hoewel de sterkte zwakker is dan die van pure koolstofnanobuisjes, maar we gebruiken zelfherstellende mechanismen om de sterkte van het materiaal te vergroten om de stabiliteit van het supergebouw te garanderen.

Dit zelfherstellende mechanisme is cruciaal, en de onderzoekers stelden een kabelontwerp voor dat de richting in tweeën splitst, omhoog, in een reeks "gestapelde segmenten"; zijdelings, in een reeks "parallelle kabelfilamenten". Wanneer een kabelfilament defect raakt, zal deze situatie zich vaak voordoen; de invloed ervan is beperkt tot het eigen stapelgedeelte en het laadgewicht wordt onmiddellijk gedeeld met de parallelle kabel totdat de reparatierobot arriveert voor vervanging.

De onderzoekers wezen erop dat ruimteliften met dit "autonome reparatiemechanisme" betrouwbaarheid bij hoge spanningsniveaus kunnen garanderen, en tegelijkertijd kunnen ze worden gemaakt van materialen met een lagere sterkte, wat de daadwerkelijke haalbaarheid dichterbij brengt.

Propscu wees erop dat de basis van al deze ruimteliftmodellen de geleidelijk afnemende spanningsratio is, de combinatie van technische ontwerpnormen en biologische principes. Hij benadrukte dat de menselijke achillespezen en de wervelkolom enorme spanningen kunnen weerstaan, zeer dicht bij hun treksterkte, die groter is dan de spanningen die ingenieurs staal ontwerpen.

De belangrijkste reden is dat de pezen en de wervelkolom, althans tot op zekere hoogte, een zelfherstellend vermogen hebben, dat bij stalen materialen ontbreekt. Onderzoekers zijn van mening dat het toevoegen van de biologische mechanismen van pezen en wervelkolom aan het ontwerp van ruimteliften betekent dat we niet hoeven te wachten op futuristische nieuwe materialen.

Propscu zei: “Wij zijn van mening dat supergrote bouwconstructies zoals ruimteliften volledig rekening moeten houden met de mogelijkheid van defecte componenten, en ook een zelfherstellend mechanisme nodig hebben om beschadigde componenten te vervangen. Dit zorgt ervoor dat de ruimtelift zwaar wordt belast. Vervallen zonder de integriteit ervan te beschadigen. Dit betekent dat het mogelijk is om bovenbouw te bouwen met bestaande materialen!"