Một nhà toán học và kỹ sư cơ khí tại Đại học Johns Hopkins

Một nhà toán học và kỹ sư cơ khí tại Đại học Johns Hopkins ở Hoa Kỳ gợi ý rằng miễn là các nhà sản xuất thang máy áp dụng nhiều kỹ thuật sinh học hơn, điều chỉnh đánh giá rủi ro và chế tạo một số robot sửa chữa tự động, họ sẽ xây dựng được một không gian trong tương lai gần. Thang máy là hoàn toàn có thể.
Sina Technology News theo giờ Bắc Kinh ngày 11 tháng 6, theo báo chí nước ngoài đưa tin, thang máy không gian từ lâu đã là một trong những chủ đề khoa học viễn tưởng ngoài đời thực, và đây cũng là tính khả thi của NASA và các tổ chức khác. Đối tượng nghiên cứu. Sự đồng thuận hiện nay mà các kỹ sư đạt được là thang máy không gian là một ý tưởng rất hay, nhưng quá trình xây dựng gây ra căng thẳng và áp lực rất lớn, đồng thời các vật liệu hiện có không thể đáp ứng được yêu cầu của họ.

Tuy nhiên, một nhà toán học và kỹ sư cơ khí tại Đại học Johns Hopkins ở Hoa Kỳ cho rằng miễn là các nhà sản xuất thang máy áp dụng nhiều kỹ thuật sinh học hơn, điều chỉnh đánh giá rủi ro và chế tạo một số robot bảo trì tự động, họ sẽ xây dựng được tương lai. Thang máy không gian là hoàn toàn có thể.

Trong một báo cáo nghiên cứu, các tác giả Dan Popescu và Sean Sun đã mô phỏng thiết kế thang máy không gian, cho thấy ứng suất tối đa và lực kéo tối đa dựa trên cấu trúc sinh học (ví dụ: dây chằng và gân). Tỷ lệ cường độ của phần mở rộng được tính toán. Tỷ lệ này cao hơn nhiều so với tỷ lệ cường độ ứng suất được sử dụng trong kỹ thuật và khả năng hấp thụ lực của vật liệu ít nhất gấp đôi lực đứt.

Các nhà nghiên cứu chỉ ra rằng tỷ lệ cường độ ứng suất như thế này có thể chấp nhận được đối với các dự án kỹ thuật dân dụng thông thường, nhưng đối với các tòa nhà lớn, tỷ lệ này quá khắt khe để kiểm soát xác suất thất bại. Điều đáng chú ý là thang máy không gian rất lớn và có thể là cấu trúc tòa nhà lớn nhất được con người xây dựng.

Việc xây dựng thang máy không gian cho phép con người và vật liệu không gian được vận chuyển ra ngoài bầu khí quyển Trái đất. Trong một số thiết kế thang máy không gian không đề cập đến nhu cầu sử dụng tên lửa. Khái niệm thang máy vũ trụ sớm nhất được nhà khoa học người Nga Konstantin Tsiolkovsky đề xuất vào năm 1895.

Kể từ năm 1895, các nhà khoa học đã tiếp tục cải tiến thiết kế của thang máy không gian, nhưng thiết kế cơ bản của thang máy vẫn không thay đổi. Thang máy không gian chứa một sợi cáp chắc chắn trên trái đất, thường kéo dài lên trên quỹ đạo địa tĩnh – cách mặt đất khoảng 35.786 km.

Ở đầu trên của cáp là sự cân bằng, trọng lực và lực ly tâm hướng ra ngoài làm cho cáp chịu lực căng, đặt một khoang chở hàng dọc theo cáp di chuyển lên xuống cáp. Vấn đề chính của thang máy không gian này là áp lực lên sợi cáp cực dài quá lớn đến mức hiện tại không có gì đủ sức chịu đựng được.

Trong vài thập kỷ qua, đã có một số cuộc thi thiết kế và đề xuất lớn nhằm giải quyết vấn đề này, nhưng cho đến nay vẫn chưa có ai thành công. Giải pháp được đề xuất gần đây là dự án Google X được Google triển khai vào năm 2014, nhưng không ai chế tạo được cáp ống nano carbon siêu bền dài hơn 1 mét, kế hoạch xây dựng thang máy không gian bị tạm dừng.

Người ta hiểu rằng ống nano carbon là niềm hy vọng lớn cho thang máy không gian thang máy thương hiệu từ các kỹ sư, nhưng hy vọng này có thể bị tiêu tan. Một mô hình nghiên cứu năm 2006 dự đoán rằng phải có một số khiếm khuyết nhất định trong cáp ống nano dài khoảng 100.000 mét, khiến độ bền tổng thể của cáp giảm 70%.

Propscu đề xuất một giải pháp khác trong báo cáo nghiên cứu. Mặc dù về mặt lý thuyết, ống nano carbon là lựa chọn tốt nhất cho cáp thang máy không gian, nhưng công nghệ hiện tại không thể sản xuất ống nano carbon có chiều dài trên vài cm nên phải sử dụng nanomet carbon. Không thể sản xuất thang máy không gian. Tuy nhiên, ông đề xuất sử dụng một số vật liệu composite - ống nano carbon kết hợp với các vật liệu khác, tuy độ bền yếu hơn ống nano carbon nguyên chất nhưng chúng tôi đang sử dụng cơ chế tự phục hồi để tăng cường độ bền của vật liệu nhằm đảm bảo độ ổn định của siêu tòa nhà.

Cơ chế tự phục hồi này rất quan trọng và các nhà nghiên cứu đã đề xuất một thiết kế cáp chia hướng của nó thành hai, hướng lên trên, thành một loạt "các đoạn xếp chồng lên nhau"; theo chiều ngang, thành một chuỗi "sợi cáp song song". Khi bất kỳ sợi cáp nào bị hỏng, tình trạng này thường xảy ra, ảnh hưởng của nó bị giới hạn ở phần ngăn xếp của chính nó và trọng lượng tải ngay lập tức được chia cho cáp song song cho đến khi robot sửa chữa đến để thay thế.

Các nhà nghiên cứu chỉ ra rằng với “cơ chế sửa chữa tự động” này, thang máy không gian có thể đảm bảo độ tin cậy ở mức độ căng thẳng cao, đồng thời có thể được chế tạo bằng vật liệu có độ bền thấp hơn, khiến tính khả thi thực tế gần hơn.

Propscu chỉ ra rằng cơ sở của tất cả các mô hình thang máy không gian này là tỷ lệ ứng suất giảm dần, sự kết hợp giữa tiêu chuẩn thiết kế kỹ thuật và nguyên lý sinh học. Ông nhấn mạnh rằng gân Achilles và cột sống của con người có thể chịu được lực căng cực lớn, rất gần với độ bền kéo của chúng, lớn hơn lực căng mà các kỹ sư thiết kế thép.

Nguyên nhân chính là, ít nhất ở một mức độ nào đó, gân và cột sống có khả năng tự sửa chữa, điều mà vật liệu thép không có được. Các nhà nghiên cứu tin rằng việc bổ sung các cơ chế sinh học của gân và cột sống vào thiết kế thang máy không gian có nghĩa là chúng ta không cần phải chờ đợi những vật liệu mới của tương lai.

Propscu cho biết: "Chúng tôi tin rằng các công trình xây dựng siêu lớn như thang máy không gian phải xem xét đầy đủ khả năng hỏng hóc bộ phận, đồng thời cần có cơ chế tự phục hồi để thay thế các bộ phận bị hỏng. Điều này sẽ đảm bảo rằng thang máy không gian chịu tải trọng cao. Chạy xuống mà không làm hỏng tính toàn vẹn của nó. Điều này có nghĩa là có thể xây dựng các kiến ​​trúc thượng tầng bằng cách sử dụng các vật liệu hiện có!"