Een artistieke illustratie van een enorm transportsysteem voor ruimteliften. Toekomstige versies van de technologie zouden zichzelf ooit kunnen herstellen.
(Afbeelding: © Japan Space Elevator Association)
Ruimteliften om passagiers en vracht van en naar de baan te vervoeren zouden kunnen worden gebouwd met bestaande materialen, als de technologie inspiratie haalt uit de biologie om zichzelf te repareren wanneer dat nodig is, vindt een nieuwe studie.
In theorie bestaat een ruimtelift uit een kabel of bundel kabels die zich duizenden kilometers uitstrekken tot een contragewicht in de ruimte. De rotatie van de aarde zou de kabel strak houden en klimmende voertuigen zouden met de snelheid van een trein de kabel op en neer ritsen.
De rit naar een ruimtelift zou waarschijnlijk dagen duren. Als er echter een ruimtelift is gebouwd, kan een reis naar de ruimte met de technologie veel goedkoper en veiliger zijn dan met een raket. Ruimtelifttechnologie wordt nu in het echte leven getest in het Japanse STARS-Me-experiment (afkorting van Space Tethered Autonomous Robotic Satellite-Mini Elevator), dat op 27 september aankwam in het internationale ruimtestation aan boord van het robotachtige HTV-7-ruimtevaartuig van Japan .
Het concept van de bonenstaak-achtige lift naar de ruimte stamt uit een 1895 "gedachte-experiment" van de Russische ruimtepionier Konstantin Tsiolkovsky. Sindsdien zijn dergelijke 'megastructuren' vaak in sciencefiction verschenen. Het belangrijkste probleem bij het maken van ruimteliften is het bouwen van een kabel die sterk genoeg is om de buitengewone krachten te weerstaan die het zou tegenkomen. ['Pillar to the Sky': A Space Elevator Q&A met auteur William Forstchen]
Een natuurlijke keuze voor het construeren van een ruimteliftkabel zijn koolstofpijpen van slechts nanometer of miljardste van een meter breed. Uit eerder onderzoek is gebleken dat dergelijke koolstofnanobuisjes bij een zesde van het gewicht 100 keer sterker kunnen zijn dan staal.
Momenteel kunnen wetenschappers echter koolstofnanobuisjes maken van slechts ongeveer 21 inch (55 centimeter) lang. Een alternatief is om composieten te gebruiken die geladen zijn met koolstof nanobuisjes, maar deze zijn op zichzelf niet sterk genoeg.
Nu hebben onderzoekers gesuggereerd dat ingenieurs kunnen putten uit bestaande materialen door inspiratie uit de biologie te halen. "Hopelijk zal dit iemand inspireren om te proberen de ruimtelift te bouwen," vertelde co-auteur Sean Sun, een werktuigbouwkundig ingenieur aan de Johns Hopkins University in Baltimore, aan Space.com.
Bio-lift inspiratie
De wetenschappers merkten op dat wanneer ingenieurs constructies ontwerpen, ze vaak de materialen nodig hebben om deze constructies te laten werken met slechts de helft van hun maximale treksterkte, of minder dan dat. Dit criterium beperkt de kans dat constructies falen, omdat het hen de ruimte geeft om variaties in materiaalsterkte of onvoorziene omstandigheden aan te kunnen. [Zullen we ooit stoppen met het gebruik van raketten om de ruimte te bereiken?]
Bij de mens daarentegen is de achillespees routinematig bestand tegen mechanische belastingen die zeer dicht bij de pees liggen
ultieme treksterkte. Biologie kan materialen tot het uiterste drijven vanwege continue reparatiemechanismen, aldus de onderzoekers.
"Met zelfreparatie kunnen technische constructies anders en robuuster worden ontworpen", aldus Sun.
Bijvoorbeeld, de motor die de zweepachtige flagella aandrijft die veel bacteriën gebruiken voor de voortstuwing "draait met ongeveer 10.000 tpm [omwentelingen per minuut], maar herstelt ook actief en zet al zijn componenten om op tijdschaal van minuten", Zei Sun. 'Dit is net alsof u met 160 km / u over de weg rijdt terwijl u uw motoren en transmissie eruit haalt om ze te vervangen!'
De onderzoekers ontwikkelden een wiskundig raamwerk om te analyseren hoe lang een ruimtelift zou kunnen duren als delen van de ketting willekeurig een breuk zouden ervaren, maar de megastructuur een zelfreparatie bezat
mechanisme. De onderzoekers ontdekten dat een zeer betrouwbare ruimtelift mogelijk was met behulp van de bestaande materialen als deze een matige reparatie onderging, zoals van robots.
Gezien de commerciële synthetische vezel die bekend staat als M5, "is een ketting van 4 miljard ton mogelijk", aldus Sun. "Dit is ongeveer 10.000 keer de massa van het hoogste gebouw ter wereld, Burj Khalifa. Realistischer is dat zoiets als een koolstof-nanobuiscomposiet het werk zal doen."
De hoofdauteur van Sun en studie, Dan Popescu, een doctoraatsstudent aan de Johns Hopkins University, heeft hun bevindingen woensdag (17 oktober) in het Journal of the Royal Society Interface beschreven.
