عالم رياضيات ومهندس ميكانيكي في جامعة جونز هوبكنز

اقترح عالم رياضيات ومهندس ميكانيكي في جامعة جونز هوبكنز في الولايات المتحدة أنه طالما أن مصنعي المصاعد يعتمدون المزيد من التقنيات البيولوجية، ويعدلون تقييمات المخاطر، ويبنون بعض روبوتات الإصلاح الآلية، فسوف يقومون ببناء مساحة في المستقبل القريب. المصعد ممكن تماما.
سينا أخبار التكنولوجيا بتوقيت بكين في أخبار 11 يونيو، وفقا لتقارير وسائل الإعلام الأجنبية، كانت المصاعد الفضائية منذ فترة طويلة واحدة من موضوعات الخيال العلمي في الحياة الحقيقية، وهذا هو أيضا جدوى وكالة ناسا وغيرها من المؤسسات. موضوع البحث. الإجماع الحالي الذي توصل إليه المهندسون هو أن المصاعد الفضائية فكرة جيدة جدًا، لكن عملية البناء تنطوي على ضغط وضغط هائل، والمواد الموجودة لا يمكنها تلبية متطلباتها.

ومع ذلك، اقترح عالم رياضيات ومهندس ميكانيكي في جامعة جونز هوبكنز في الولايات المتحدة أنه طالما أن مصنعي المصاعد يعتمدون المزيد من التقنيات البيولوجية، ويعدلون تقييمات المخاطر، ويبنون بعض روبوتات الصيانة الآلية، فسوف يبنون المستقبل. المصاعد الفضائية ممكنة تماما.

في تقرير بحثي، قام المؤلفان دان بوبيسكو وشون صن بمحاكاة تصميم المصعد الفضائي، والذي وجد أقصى قدر من الضغط والحد الأقصى من السحب على أساس الهياكل البيولوجية (على سبيل المثال، الأربطة والأوتار). يتم حساب نسبة قوة التمديد. وهذا أعلى بكثير من نسبة قوة الإجهاد المستخدمة في الهندسة، كما أن قدرة المادة على امتصاص القوى تبلغ ضعف قوة الكسر على الأقل.

ويشير الباحثون إلى أن نسب شدة الإجهاد مثل هذه مقبولة لمشاريع الهندسة المدنية العادية، ولكن بالنسبة للمباني الكبيرة، فإن هذه النسبة صارمة للغاية بحيث لا يمكن التحكم في احتمالية الفشل. ومن الجدير بالذكر أن المصعد الفضائي كبير جدًا وربما يكون أكبر هيكل بناء بناه الإنسان.

يسمح بناء المصاعد الفضائية بنقل البشر والمواد الفضائية خارج الغلاف الجوي للأرض. في بعض تصميمات المصاعد الفضائية، لا يوجد ذكر للحاجة إلى استخدام الصواريخ. تم اقتراح أول مفهوم للمصعد الفضائي من قبل العالم الروسي كونستانتين تسيولكوفسكي في عام 1895.

منذ عام 1895، واصل العلماء تحسين تصميم المصاعد الفضائية، لكن التصميم الأساسي للمصعد لم يتغير. يحتوي المصعد الفضائي على كابل صلب على الأرض، ويمتد عادةً لأعلى إلى المدار الثابت بالنسبة للأرض، على بعد حوالي 35.786 كيلومترًا من الأرض.

في الطرف العلوي من الكابل يوجد توازن، والجاذبية وقوة الطرد المركزي الخارجية تضع الكابل في حالة توتر، مما يضع حجرة الشحن على طول الكابل الذي يتحرك لأعلى ولأسفل الكابل. المشكلة الرئيسية في هذا المصعد الفضائي هي أن الضغط على الكابل الطويل جدًا كبير جدًا لدرجة أنه لا يوجد شيء كافٍ حاليًا لتحمله.

في العقود القليلة الماضية، كانت هناك بعض مسابقات التصميم الكبيرة والمقترحات لحل هذه المشكلة، ولكن حتى الآن لم ينجح أحد. وكان الحل المقترح مؤخرًا هو مشروع Google X الذي أطلقته شركة Google في عام 2014، ولكن لم يتمكن أحد من تصنيع كابلات من أنابيب الكربون النانوية فائقة القوة يزيد طولها عن متر واحد، وتم تعليق خطة بناء المصعد الفضائي.

ومن المعلوم أن أنابيب الكربون النانوية تمثل أملاً كبيراً لمصعد الفضاء مصعد العلامة التجارية كلمة المهندسين، ولكن هذا الأمل قد يتبدد. توقع نموذج بحثي عام 2006 أنه لا بد من وجود عيوب معينة في كابل الأنابيب النانوية الذي يبلغ طوله حوالي 100 ألف متر، مما أدى إلى تقليل القوة الإجمالية للكابل بنسبة 70%.

اقترح بروبسكو حلاً مختلفًا في تقرير البحث. على الرغم من أن أنابيب الكربون النانوية هي من الناحية النظرية الخيار الأفضل لكابلات المصاعد الفضائية، إلا أن التكنولوجيا الحالية لا يمكنها إنتاج أنابيب نانوية كربونية يزيد طولها عن عدة سنتيمترات، لذلك يتم استخدام نانومترات الكربون. ليس من الممكن تصنيع المصاعد الفضائية. ومع ذلك، فقد اقترح استخدام بعض المواد المركبة - أنابيب الكربون النانوية مدمجة مع مواد أخرى، ورغم أن قوتها أضعف من أنابيب الكربون النانوية النقية، إلا أننا نستخدم آليات الإصلاح الذاتي لتعزيز قوة المادة لضمان استقرار المبنى الفائق.

تعد آلية الشفاء الذاتي هذه أمرًا بالغ الأهمية، وقد اقترح الباحثون تصميمًا للكابل يقسم اتجاهه إلى قسمين، إلى أعلى، إلى سلسلة من "الأجزاء المكدسة"؛ أفقيًا، في سلسلة من "خيوط الكابلات المتوازية. عندما يفشل أي خيوط كبل، غالبًا ما يحدث هذا الموقف، ويقتصر تأثيره على قسم المكدس الخاص به، ويتم مشاركة وزن الحمولة على الفور مع الكابل الموازي حتى يصل روبوت الإصلاح للاستبدال.

وأشار الباحثون إلى أنه مع "آلية الإصلاح المستقلة" هذه، يمكن للمصاعد الفضائية ضمان الموثوقية عند مستويات الضغط العالية، وفي الوقت نفسه، يمكن تصنيعها من مواد ذات قوة أقل، مما يجعل الجدوى الفعلية أقرب.

وأشار بروبسكو إلى أن أساس جميع نماذج المصاعد الفضائية هذه هو نسبة الضغط المتناقصة تدريجياً، والجمع بين معايير التصميم الهندسي والمبادئ البيولوجية. وأكد أن أوتار العرقوب والعمود الفقري للإنسان يمكنها تحمل ضغوط هائلة، قريبة جدًا من قوة الشد الخاصة بها، وهي أكبر من الضغوط التي يصممها المهندسون للصلب.

السبب الرئيسي هو أن الأوتار والعمود الفقري، على الأقل إلى حد ما، تتمتع بقدرة على الإصلاح الذاتي، وهو ما تفتقر إليه المواد الفولاذية. يعتقد الباحثون أن إضافة الآليات البيولوجية للأوتار والعمود الفقري إلى تصميم المصعد الفضائي يعني أنه لا يتعين علينا انتظار مواد جديدة مستقبلية.

وقال بروبسكو: "نعتقد أن هياكل البناء الكبيرة جدًا مثل المصاعد الفضائية يجب أن تأخذ في الاعتبار بشكل كامل إمكانية فشل المكونات، وتحتاج أيضًا إلى آلية إصلاح ذاتي لاستبدال المكونات التالفة. وهذا يضمن أن المصعد الفضائي تحت حمولة عالية. الجري دون الإضرار بسلامتها. وهذا يعني أنه من الممكن بناء الهياكل الفوقية باستخدام المواد الموجودة!"