Сталь
Это сплав железа, углерода и, как правило, других элементов. Добавление углерода (1–2 %) делает сплав гораздо более прочным, чем чистое железо. Изготовление стали было сложным и дорогим до тех пор, пока в 1850-х гг. не был разработан процесс ее массового производства. Сегодня это самый дешевый и самый распространенный металл, используемый в строительстве. Он в сотни раз прочнее бетона и легче переносит высокое давление.
Для поддержки этого моста используются стальные арки. Сталь необходимо защищать от коррозии. Самый простой способ защиты — покрасить металл, ограждая его от влияния окружающей среды
Алюминий
Это самый распространенный металл в земной коре. Он активно реагирует с другими веществами, поэтому его трудно выделить из руды. В 1880-х гг. был разработан электрохимический процесс, удешевивший производство алюминия. Алюминий не так прочен, как сталь, но значительно менее плотный и поэтому используется для создания жестких, но легких конструкций.
Алюминий не только легче стали, но и не подвержен коррозии
Пластмасса (пластик)
Термин «пластмасса» означает свойство материала — его способность под некоторым воздействием менять свою форму и впоследствии сохранять ее. Так называют большую группу соединений с этим свойством, многие из которых изготовлены из веществ, полученных из нефти. Пластмассы — полимеры, то есть они состоят из длинных цепочек молекул. Эти макромолекулы можно по-разному организовать, чтобы получить прочные и легкие предметы практически любой формы. Некоторые пластмассы (термопласты) можно многократно нагревать, меняя их форму, а в других (термореактивных) макромолекулы закрепляются и уже не могут быть изменены.
Компоненты этого машинного двигателя сделаны не из металла, а из термореактивных пластмасс, которые остаются прочными при высоких температурах
Углеродное волокно (углеволокно)
Этот современный материал очень легкий и прочный, что делает его хорошей альтернативой металлу. Углеволокно состоит из длинных нитей углерода, связанных между собой. Угле-волокно — один из частых компонентов композиционных материалов, в которых одновременно используются металлы, пластмассы и другие вещества. Инженеры создают композиционные материалы с самыми разными свойствами, чтобы решать различные задачи.
Корпус этого мотоцикла сделан из углеволокна. Это делает его легче, что обеспечивает более эффективный расход топлива
Умные материалы
Это общий термин, который относится к широкому спектру материалов, способных реагировать на окружающую среду и менять свои свойства. Самый известный умный материал — кварц. Кварцевые кристаллы вырабатывают электрический ток при сжатии и вибрируют, когда электризуются. Другие умные материалы меняют свои свойства при изменении температуры или под воздействием магнитного поля. Одно из удивительных новых свойств — эффект памяти формы: при определенных условиях (например, при некоторой температуре) материал меняет форму на иную, заданную предварительно.
Этот плоский термометр сделан из умного материала. Его цвет меняется в зависимости от температуры: прижатый к коже термометр показывает температуру тела
Цифровые часы отсчитывают время с помощью ритмичной вибрации наэлектризованного кварца — самое первое использование умного материала
Нерешенные вопросы
Каждый инженер участвует в строительстве будущего, он совершенствует старые конструкции, делает их больше или лучше. Пределы возможного существуют лишь в нашем воображении. Давайте взглянем на некоторые возможные нововведения.
Можно ли создать новую Землю?
Ученые находят доказательства существования землеподобных планет в далеких звездных системах, но посетить их мы пока не можем. Однако вероятно, что в ближайшем будущем люди отправятся на Марс. Можно ли создать там новую Землю? Такой процесс называется «терраформирование», и он невероятно сложный. Первая проблема — очень разреженная атмосфера: атмосферное давление у поверхности планеты примерно в 100 раз меньше земного. Уплотнить атмосферу можно, например, направляя богатые азотом кометы в сторону Красной планеты. Еще нужно насытить атмосферу кислородом. На Земле его производят растения из углекислого газа. Атмосфера Марса в основном состоит из углекислого газа, поэтому на планету можно доставить похожие на растения бактерии, которые смогут жить на поверхности скал, медленно выделяя кислород и нанося на пыльную поверхность слой органического материала. Еще одна проблема — слабое магнитное поле Марса, которое не может, как на Земле, защитить жизнь от опасного солнечного излучения; и инженерам еще предстоит найти способ решить эту задачу.
Терраформированная планета может стать нашим новым домом в космос
Будет ли Hyperloop?
В 2012 г. миллиардер, ученый и футуролог Илон Маск предложил идею нового вида транспорта — Hyperloop («гиперпетля»). По его концепции, пассажиры будут сидеть в капсулах, мчащихся по сети труб между городами. В трубах будет поддерживаться частичный вакуум, и вентилятор в передней части капсулы будет всасывать воздух, а потом откачивать его под днищем. Это позволит создать воздушную подушку под капсулой, позволяя ей скользить, как шайба на льду. Благодаря небольшому сопротивлению воздуха капсула может достичь сверхзвуковой скорости. Маск уже обратился в несколько компаний, предложив им посоревноваться за право реализовать проект, и возможно, первые линии Hyperloop будут работать уже в середине 2020-х гг. Сеть Hyperloop может снизить потребность в перелетах на небольшие расстояния, загрязняющих окружающую среду. Однако в идее Маска есть и проблемы — например, путешествие на Hyperloop может быть неприятным из-за сильного шума, ускорений и вибраций. Но в свое время то же самое говорили и про поезда.
Hyperloop Илона Маска считается пятым видом транспорта после колес, крыльев, рельс и кораблей
Как высоко мы можем построить?
Нет никаких структурных ограничений, не позволяющих построить башню выше Эвереста, однако ее фундамент должен иметь площадь 4100 кв. км — а это слишком большой участок для любого застройщика. Кроме того, плотность самых высоких небоскребов составляет лишь 15 % плотности Эвереста, поэтому при одинаковой массе небоскреб был бы в семь раз выше горы. Будем ли мы строить такое здание? Да, если это имеет финансовый смысл. Когда будет построена башня Джидда в Саудовской Аравии, она станет одной из высочайших строений в мире. Ее высота будет 1 км. Первоначально башню хотели сделать высотой в милю (около 1,6 км) — это достижимо, но цена оказалась чересчур высокой.
На практике высоту зданий ограничивают деньги, а не технологии
Будет ли сделан лифт в космос?
В 1895 г. инженер-провидец Константин Циолковский предложил идею космического лифта — конструкции, поднимающейся от Земли в космос. Последующие расчеты показали, что его высота должна быть 70 000 км. Лифт может доставлять туристов на космическую станцию, расположенную на геостационарной орбите, т. е. на высоте 35 800 км (объекты на этой высоте вращаются с той же угловой скоростью, что и Земля, поэтому всегда остаются над одним и тем же местом на поверхности Земли, поэтому орбита называется геостационарной). Чтобы геостационарная станция была устойчивой, предлагается использовать противовес, который находился бы гораздо дальше в космосе. Благодаря ему конструкция не будет подвергаться такому же давлению, как обычный дом, но будет удерживаться на месте, вытягиваясь противовесом. Для построения космического лифта пока нет подходящих материалов, хотя теоретически можно использовать углеродные нанотрубки. Также нужна значительная энергия, чтобы поднимать грузы на лифте — и для этого предлагается использовать энергию движения грузов вниз (которое происходит под действием силы тяжести).
Космические лифты могут свести на нет необходимость запусков ракет, делая путешествия в космос доступнее и дешевле
Не окажется ли однажды соседская семья роботами?
Будут ли роботы похожи на людей?
Андроид — это робот, имитирующий внешность и возможности человека. Он двигается как человек, и в будущем сможет думать как человек или похожим образом — что в принципе одно и то же. Есть два технических препятствия для изготовления андроидов с человеческими возможностями или даже лучше. Во-первых, элементы тела андроида и двигатели, которые есть у каждого сустава, значительно тяжелее их биологических аналогов. Достаточно быстрый и пластичный робот будет чрезвычайно тяжелым. Одно из возможных решений — выращивать тела или детали роботов из биологического материала. Во-вторых, как наши тела контролируются мозгом, так и андроиды будут управляться компьютером. Но нет никаких доказательств того, что мозг работает так же, как компьютер. А если бы компьютер мог сравниться по вычислительной мощности с мозгом и был бы достаточно мал, то как мы могли бы его программировать? В результате андроиды стали бы жителями «зловещей долины» — так называют эффект, когда что-то похожее на человека вызывает неприязнь и отвращение из-за мелких несоответствий внешности и поведению людей.
Какая топливная система самая чистая?
Сжигание ископаемого топлива приводит к выделению химических веществ, которые вредят здоровью и загрязняют окружающую среду. Уголь — самое «грязное» топливо, а чистый метан — самое безопасное, хотя даже он выделяет углекислый газ, который может стать самым разрушительным загрязняющим веществом, если позволить ему изменять климат Земли. Самое чистое неископаемое топливо — это водород, при его сжигании образуется только водяной пар. Однако водород нужно очищать от других химических веществ, и этот процесс требует большого количества энергии (возможно, полученной за счет ископаемого топлива), поэтому в конце концов водород нельзя считать экологически чистым топливом. Единственный способ свести к минимуму загрязнение от двигателей — это использовать электромоторы и питать их электроэнергией, вырабатываемой с помощью солнца, ветра и других возобновляемых источников.