Vertical City - ¿Usar helio para reducir peso?

No sería efectivo.

El edificio sería más liviano que un edificio con los mismos tubos llenos de aire, pero es probable que el helio ni siquiera compense el peso de los tubos. Existen gases de levantamiento alternativos que brindan un levantamiento potencial diferente , pero es poco probable que incluso con vacío (el mejor relleno para levantar volúmenes) obtenga algún beneficio significativo.

En realidad, es menos efectivo cuanto más alto sube el edificio. A medida que la atmósfera se vuelve menos densa, el potencial de elevación disminuye.

No funcionaría.

El uso de gases de menor peso para proporcionar sustentación se basa en la flotabilidad. El gas más liviano es menos denso que el aire que lo rodea, por lo que el aire que lo rodea lo empuja hacia arriba al igual que el agua más densa empuja un bote hacia la superficie. El límite teórico de este proceso es utilizar el relleno más ligero posible: el vacío. En este punto, obtienes una cantidad de sustentación igual a la masa de aire desplazada.

El aire es aproximadamente un kilogramo por metro cúbico (1,225 kg/m3, en realidad, pero podemos redondearlo para facilitar la visualización). Esto significa que un bloque de cemento típico de 10 kg requeriría 10 metros cúbicos de aire desplazado. En realidad, los números son peores que eso, porque también hay que tener en cuenta el material que contiene el gas ligero o el vacío, pero en el caso de los materiales de construcción, los números son lo suficientemente claros incluso sin esta corrección. Aquí hay un sentido de escala para eso:

Ahora consideremos la construcción de un rascacielos típico, usando acero. Las vigas de acero pueden variar mucho en masa, pero el tipo que se usa en los rascacielos es de aproximadamente 50 kg por pie lineal. Por lo tanto, un edificio de 100 pies de altura (aproximadamente 10 pisos) necesitaría una viga de 100 pies de largo o 5000 kg. Eso es 5000 metros cúbicos de gas para levantar. Eso está razonablemente cerca del relleno de un dirigible de Goodyear, y eso es solo para levantar una viga:

El dirigible más grande que jamás haya volado fue el Hindenburg, con 200.000 metros cúbicos. Eso es suficiente para levantar 200.000 kg de masa en el aire. Hindenburg obviamente levantó menos porque su relleno era hidrógeno, no vacío puro, y tenía que dar cuenta de la masa de su piel. La masa real de carga/tripulación era de unos 10.000 kg, 1/20 de los valores teóricos, por lo que podría haber levantado dos de esas vigas de 10 pisos.

¿Y qué si fuéramos serios? ¿Qué pasaría si tiramos todos los límites al viento y simplemente decidiéramos levantar uno de los World Trade Centers (antes de que se derrumbaran)? Los registros muestran que cada torre tenía una masa de alrededor de 450 000 000 kg, es decir, 450 000 000 m3 de gas. Eso sería 0,45 kilómetros cúbicos de gas. Esa no es un área grande para la naturaleza, pero es un tamaño tremendo para una construcción humana (la represa Hoover tiene aproximadamente 1/200 de ese volumen de concreto). ¡Eso es solo para levantar un edificio!

Y todo eso ignora los desafíos estructurales que vienen con tales fuentes de elevación. Está ignorando toda la masa de la piel y el cableado necesarios para soportar las cosas. Si se aumenta la proporción de Hindenburg de 200 000 kg teóricos a 10 000 kg reales, ¡la envoltura de gas tendría que tener un volumen de 9 kilómetros cúbicos!

¿Qué tan grandes son estos números? Bueno, incluso usando la tasa teórica, se verá obligado a usar vacío (que requiere pieles muy gruesas) o hidrógeno. ¿Por qué no helio? Las estimaciones modernas son que solo quedan alrededor de 0,25 kilómetros cúbicos de helio en América del Norte (en las profundidades de los depósitos de gas natural). ¡Literalmente usaría una buena parte del helio que queda en el mundo para hacer el trabajo!

Y así, nos quedamos en el suelo. Si realmente desea aprovechar los gases de elevación de esta manera, le recomendaría un cambio de punto de vista. En lugar de comenzar con una ciudad e intentar levantarla, comience con un dirigible e intente descubrir cómo adaptar el concepto de ciudad para que funcione dentro de ella. Es mucho más fácil cambiar la forma en que la gente piensa acerca de las ciudades que levantar una ciudad en el aire.

OK, primero prescindamos del concepto de tubos. El helio es transpirable. Simplemente reemplace el nitrógeno en el aire con helio. Esto maximizará el volumen de helio dentro del edificio.

Veamos el Empire State Building ( PDF ). Son alrededor de cien pisos (102). Unas 365.000 toneladas. Contiene 37 millones de pies cúbicos de volumen. Llámalo 100 pies cúbicos por tonelada de peso.

Hay 28 litros por pie cúbico y cada litro de nitrógeno en el aire pesa aproximadamente un gramo menos que cada litro de helio en el aire . Así que eso es 28 gramos por pie cúbico. Así que aproximadamente 3 kg por tonelada. O una reducción del 0,3 % en el peso neto.

Entonces, cada 300 o más pisos, esto ahorraría suficiente peso para agregar un piso adicional. Y eso supone que no hay costo de peso para sellar el helio en el interior. ¿Cómo se reemplaza el dióxido de carbono por oxígeno? Por lo general, el intercambio de gases se encargaría de eso. Pero eso también reemplazaría el helio con nitrógeno. Entonces, si convertir el dióxido de carbono en oxígeno requiere equipo o vegetación que pesan más del 0,3 % del peso del edificio, pierde su ventaja.

Odio decir que no, pero...

Realmente no. La tubería prácticamente anularía la ligereza del helio, interferiría con el diseño estructural y, lo que es más importante, ocuparía todo el edificio. Tomemos un dirigible. Tiene un coche diminuto y un globo enorme de unas 10 veces su tamaño o más. Haces eso con un edificio, y todo está lleno de hidrógeno, o en tu caso, helio. No queda espacio, excepto una pequeña cantidad. Es mucho más sencillo hacer que los edificios se apoyen entre sí con algún tipo de ménsulas y, por lo tanto, estén interconectados. Esto también te permite usar esa idea de puente. Además, cuanto más alto es el edificio, menos eficaz es el gas. Y desde una perspectiva de diseño, acaba de cubrir todo el edificio con un gas altamente inflamable y lo puso cerca de otros edificios con miles de personas adentro. Big Badda Boom!Eso es para el hidrógeno. Para el helio, ha agregado un medio alternativo potencialmente devastador que no puede respirar. De repente, tienes una pequeña fuga y la gente comienza a hablar en voz alta y luego se desploma.

TLDR: Terminas componiendo el edificio principalmente de dicha tubería y el gas que contiene, que es mortal en uno o más aspectos.

Mi suposición: SÍ, si modificas el diseño. He aquí por qué:

Bueno, si un Skylifter** puede levantar 150 toneladas, ¿seguramente no se podría conectar un Skylifter al final de un rascacielos, o incluso a algunos?

Considera esto:

1) Si el edificio está hecho de compuestos de carbono o CNT, entonces podría ser bastante fuerte y liviano, mucho más que los edificios actuales. Definitivamente <150 toneladas. Y estos son cada vez más baratos de fabricar. La investigación sobre BNNT es aún más prometedora en términos de fuerza.

2) Luego considere que los edificios (ya sea en el cielo, atados al suelo o rascacielos) no necesitan que tengan muchas cosas pesadas como piscinas o autos en ellos (pueden estar en el suelo). Y vehículos ligeros VTOL para transporte, despegue desde el techo (prototipos ya realizados).

3) Los tubos en las paredes no funcionarían, por las razones que acabamos de describir: demasiado pequeños. Pero las paredes enteras de compuestos de carbono también podrían llenarse con helio. Esto contrarrestaría el peso del material de construcción. Alguien mencionó respirar helio como un riesgo. No realmente: los buzos y los niños en las fiestas respiran helio. Solo sería un peligro si no hubiera oxígeno también. ¿Y no tenemos sistemas de emergencia para peligros de todos modos?

¿Por qué no sería factible este diseño modificado, si toda esa tecnología ya existe, simplemente no se ha ensamblado? Me parece factible =^)

Creo que a veces la gente siente que muestra inteligencia mostrar por qué algo no puede funcionar, en lugar de crear diseños que resuelvan problemas. De eso se trata la ingeniería y el diseño.

** http://www.skylifter.eu

No, la capacidad de elevación no compensaría el peso lo suficiente como para molestarse. En cambio, agitaría a mano un material de construcción similar a los nanotubos de carbono más fuerte que el acero, pero que pesaría tanto como la espuma de poliestireno.

El peso del edificio se basa en materiales sólidos, no en gas. Los dirigibles usan helio no para perder peso, sino para mantenerse a flote.

La razón por la que los rascacielos modernos no pueden construirse con piedra como los edificios clásicos (Notre Dame, el Coliseo, por nombrar algunos) es que cualquier tamaño más grande pondría al edificio en desacuerdo con la fuerza de la gravedad. Es por eso que los rascacielos modernos se construyen a través del muro cortina. Los detalles sobre los pros y los contras del muro cortina se pueden encontrar aquí: https://en.wikipedia.org/wiki/Curtain_wall_%28architecture%29