En konstnärs illustration av ett massivt transportsystem för rymdshiss. Framtida versioner av tekniken kan en dag fixa sig själva.
(Bild: © Japan Space Elevator Association)
Rymdhissar för att färja passagerare och last till och från bana kan byggas med befintliga material, om tekniken tar inspiration från biologi för att fixa sig själv när det behövs, finner en ny studie.
I teorin består en rymdhiss av en kabel eller ett paket med kablar som sträcker sig tusentals mil till en motvikt i rymden. Jordens rotation skulle hålla kabeln spänd, och klättringsfordon skulle rida upp och ner kabeln med ett tågs hastighet.
Att ta sig upp i en rymdhiss skulle troligen ta några dagar. Men när en rymdhiss har byggts, kan en resa till rymden på tekniken vara mycket billigare och säkrare än på en raket. Rymdhisstekniken testas nu i verkligheten i det japanska STARS-Me-experimentet (kort för Space Tethered Autonomous Robotic Satellite-Mini Hiss), som anlände till den internationella rymdstationen den 27 september ombord Japans robot HTV-7 last rymdskepp .
Konceptet med den bönstjällika hissen till rymden går tillbaka till ett "tankeexperiment" från 1895 från den ryska rymdpionjären Konstantin Tsiolkovsky. Sedan dess har sådana "megastrukturer" ofta dykt upp i science fiction. Det viktigaste problemet med att skapa rymdhissar är att bygga en kabel som är tillräckligt stark för att motstå de extraordinära krafter den skulle stöta på. ['Pillar to the Sky': En rymdhissfråga med författaren William Forstchen]
Ett naturligt val för att konstruera en rymdhisskabel är kolrör som bara är nanometer eller miljarddels meter breda. Tidigare forskning har funnit att sådana kolananorör kan visa sig vara 100 gånger starkare än stål vid en sjättedel av vikten.
Men för närvarande kan forskare göra nanorör av kol bara 55 centimeter långa. Ett alternativ är att använda kompositer belastade med kolananorör, men dessa är inte tillräckligt starka av sig själva.
Nu har forskare föreslagit att inspiration från biologi kan hjälpa ingenjörer att bygga rymdshissar med befintliga material. "Förhoppningsvis kommer detta att inspirera någon att försöka bygga rymden hissen," berättade co-författaren Sean Sun, en maskiningenjör vid Johns Hopkins University i Baltimore, berättade Space.com.
Biohissinspiration
Forskarna noterade att när ingenjörer konstruerar strukturer kräver de ofta materialen för att dessa strukturer ska fungera med bara hälften av sin maximala draghållfasthet, eller mindre än så. Detta kriterium begränsar risken för att strukturer misslyckas, eftersom det ger dem möjlighet att hantera variationer i materialstyrka eller oförutsedda omständigheter. [Kommer vi någonsin sluta använda raketer för att nå utrymme?]
Däremot tål Achilles-senen hos människor rutinmässigt mekaniska påkänningar mycket nära dess
ultimat draghållfasthet. Biologi kan pressa material till sina gränser på grund av kontinuerliga reparationsmekanismer, säger forskarna.
"Med självreparation kan ingenjörskonstruktioner utformas annorlunda och mer robust," sade Sun.
Till exempel, den motor som driver den piskliknande flagellen som många bakterier använder för framdrivning "snurrar med cirka 10 000 varv / minut (varv per minut), men den reparerar också aktivt och vrider alla sina komponenter på tidsskalorna på minuter," Sun sa. "Det här är som att du kör på vägen 160 km / h medan du tar ut dina motorer och växellåda för att byta ut dem!"
Forskarna utvecklade en matematisk ram för att analysera hur lång tid en rymdhiss skulle kunna hålla om delar av dess tether slumpmässigt upplevde brott men megastrukturen hade en självreparation
mekanism. Forskarna fann att en mycket tillförlitlig rymdhiss var möjlig att använda för närvarande befintliga material om den genomgick måttliga reparationshastigheter, till exempel från robotar.
Till exempel, med tanke på den kommersiella syntetfibren, känd som M5, "är en sammankoppling med en massa på 4 miljarder ton möjlig", sade Sun. "Detta är ungefär 10 000 gånger massan i [världens] högsta byggnad, Burj Khalifa. Mer realistiskt, något som en kol-nanorörskomposit kommer att göra jobbet."
Sun och studiens huvudförfattare, Dan Popescu, en doktorand vid Johns Hopkins University, detaljerade sina resultat onsdag (17 oktober) i Journal of the Royal Society Interface.
