¿Cómo podrían ayudarme los nanotubos de carbono a construir rascacielos superaltos?

Los principales factores limitantes de la altura en los rascacielos son:

• Estructural: no en la medida en que no podamos crear torres altas, sino más bien en que el viento provoca deflexión lateral y oscilación, creando un movimiento perceptible para los ocupantes que puede ser angustiante.
• Luz natural: la mayoría de los códigos de construcción estipulan niveles mínimos de luz natural que deben estar presentes en los espacios habitables. Una torre más alta a menudo significa una torre más ancha, y cuanto más ancha sea la base, menos luz natural puede penetrar en el interior.
• Económico: la creación de rascacielos altos crea una gran cantidad de superficie alquilable para obtener ingresos; sin embargo, esto se equilibra con el costo de construcción y la demanda del mercado. La torre más alta de Dubái se financia de manera diferente a la mayoría de las construcciones impulsadas por el mercado en las capitales. Inundar el mercado con superficie alquilable es una buena manera de acabar con el mercado, a menos que el propósito económico de la torre sea suplantado por propósitos políticos o de otro tipo.
• Ascensores: Sí, asistí a un seminario sobre diseño de ascensores y el mensaje principal del consultor es que los ascensores son un factor determinante de la altura. Las personas solo esperan un momento antes de llegar al piso al que deben llegar. Tenga en cuenta que los ascensores tienen límites de altura y, por lo general, también se deben implementar vestíbulos elevados.

Entonces, la estructura es en realidad una pequeña parte de todas las consideraciones relacionadas con la altura. Sin embargo, dicho esto, para eliminar esta limitación, vale la pena señalar que los nanotubos son buenos en tensión, pero no tan buenos en resistencia lateral o resistencia a la compresión.

La mejor manera de utilizar la nueva tecnología es crear elementos perimetrales pretensados ​​para aumentar la rigidez estructural y evitar el movimiento lateral de las fuerzas del viento.

Una torre con estructura expuesta que utiliza esta técnica es la bastante modesta torre de Central Park en Perth, Australia Occidental:

Los arquitectos expusieron la estructura, pero en resumen, una discusión con el ingeniero estructural fue que la columna visible y el 'triángulo' en la parte superior de la torre están en tensión para reducir este movimiento. Sus nanotubos permitirían que este principio creara una desviación sustancialmente menor y, por lo tanto, una torre más alta (aunque no puedo decir cuánto).

Teniendo en cuenta que los nanotubos de carbono como una fibra de "cuerda" tendrían una resistencia a la tracción extremadamente fuerte pero no a la compresión, la pregunta entonces es: ¿Cómo uso la resistencia a la tracción para ayudar a evitar la compresión?

Hay al menos tres formas de hacer esto, dos de las cuales ya son comunes en la ingeniería moderna.

1) Estructuras sustentadas por aire: imagine un dirigible vertical gigante. Ahora imagine muchos de estos, largos y angostos, utilizados como estructura de soporte. Se podría hacer una tela tejida con nanotubos de carbono para soportar presiones muy altas en su interior, creando una "viga" muy rígida que es, estrictamente hablando, un globo. (Nota al margen, ¡animales con globos para gigantes!)

2) Tensión previa: similar al hormigón armado, la tensión añadida a los miembros de compresión antes de la carga ya se usa para minimizar la flexión, lo que permite una construcción más alta.

3) Estructuras de soporte activas: esta es mi favorita y, por cierto, aunque requiere la tecnología más avanzada, es capaz de construir las estructuras más altas. Similar al concepto de soporte de aire, las estructuras activas utilizan un medio no sólido para mantener la forma de la estructura. El soporte estructural proporciona empuje. Ese empuje suele ser estático y es exactamente opuesto a la fuerza descendente de la gravedad. Ahora, los soportes estructurales no son la única forma de proporcionar empuje; de ​​lo contrario, sería muy difícil hacer despegar los cohetes. También es posible usar un sistema tan activo para sostener un edificio, pero un cohete no funcionaría, ya que la masa de reacción se pierde continuamente. En cambio, la idea de una estructura de este tipo (comúnmente llamada fuente espacial) es forzar partículas cargadas magnéticamente en una corriente a través de un tubo de vacío, donde serán desviados hacia abajo en la parte superior a través de un tubo de retorno. Esa desviación proporciona el empuje para sostener el edificio. Hasta el momento, esto es irrelevante para el uso de cables de alta resistencia a la tracción, como las cuerdas de nanotubos de carbono. Sin embargo, nos gustaría que la torre de la fuente fuera rígida, para evitar que los huéspedes del ático pierdan su almuerzo. Hmmmm, ¿rigidez? Esto recuerda el segundo método que describí. La tensión permitiría un exceso de empuje para mantener la torre precisamente a la altura deseada, y mediante el uso de tirantes suficientemente angulados para compensar el empuje lateral (del viento, los terremotos, etc.), al igual que en el mástil de un barco, la torre mantenerse vertical. esto es irrelevante para el uso de cables de alta resistencia a la tracción, como las cuerdas de nanotubos de carbono. Sin embargo, nos gustaría que la torre de la fuente fuera rígida, para evitar que los huéspedes del ático pierdan su almuerzo. Hmmmm, ¿rigidez? Esto recuerda el segundo método que describí. La tensión permitiría un exceso de empuje para mantener la torre precisamente a la altura deseada, y mediante el uso de tirantes suficientemente angulados para compensar el empuje lateral (del viento, los terremotos, etc.), al igual que en el mástil de un barco, la torre mantenerse vertical. esto es irrelevante para el uso de cables de alta resistencia a la tracción, como las cuerdas de nanotubos de carbono. Sin embargo, nos gustaría que la torre de la fuente fuera rígida, para evitar que los huéspedes del ático pierdan su almuerzo. Hmmmm, ¿rigidez? Esto recuerda el segundo método que describí. La tensión permitiría un exceso de empuje para mantener la torre precisamente a la altura deseada, y mediante el uso de tirantes suficientemente angulados para compensar el empuje lateral (del viento, los terremotos, etc.), al igual que en el mástil de un barco, la torre mantenerse vertical.

Podrías usarlos para aligerar la carga de los edificios con globos de vacío...

La densidad del aire a temperatura y presión estándar es de 1,28 g/l, por lo que 1 litro de aire desplazado tiene suficiente fuerza de flotación para levantar 1,28 g. –Wikipedia _

...en Venus:

De todos los planetas y lunas conocidos del sistema solar, solo la atmósfera de Venus tiene [la proporción atmosférica de Lana] lo suficientemente grande como para superar el [coeficiente de Lana] para materiales tales como algunos compuestos (por debajo de una altitud de aproximadamente 15 km) y grafeno (por debajo de una altitud de aproximadamente 15 km). 40 km). – ibíd.

Además de la respuesta de Thorne, también puede combinar esto con soporte activo. La idea es la misma que con una hoja de papel sobre el fuego: haces rebotar algo en la parte inferior de la estructura soportada. Puedes encontrar una gran explicación de esto y muchas cosas más en el canal de youtube de Isaac Arthur

Los nanotubos de carbono tienen una gran resistencia a la tracción. Si desea usarlos para construir un rascacielos, debe hacer que funcionen bajo tensión, para usar correctamente su resistencia a la tracción mencionada anteriormente.

¿Dónde en un rascacielos tenemos tensión?

No en los pilares: en su mayoría trabajan en compresión, y solo cuando el rascacielos se dobla bajo carga lateral (principalmente debido al viento) tienen solicitación tensional. Para estos componentes, es posible que desee seguir utilizando acero y hormigón.

Pero si desea colocar las vigas horizontales para sostener pisos y techos, los nanotubos de carbono pueden ayudarlo. El lado inferior de una viga cargada está sujeto a un esfuerzo de tracción.

Si utiliza nanotubos de carbono en lugar de acero para reforzar la parte inferior de la viga, puede reducir el peso del techo para la misma superficie, por lo que disminuirá la carga sobre los pilares. Esto te ayudará a construir una estructura más alta, ya que podrás apilar más pisos antes de alcanzar el límite de carga de los pilares.