Wie könnten Kohlenstoffnanoröhren mir helfen, superhohe Wolkenkratzer zu bauen?

Die wichtigsten einschränkenden Faktoren für die Höhe in Wolkenkratzern sind:

• Strukturell: Nicht insofern, als wir keine hohen Türme bauen können, sondern eher insofern, als Wind seitliche Ablenkung und Oszillation verursacht und eine erkennbare Bewegung für die Insassen erzeugt, die beunruhigend sein kann.
• Natürliches Licht: Die meisten Bauvorschriften schreiben ein Mindestmaß an natürlichem Licht vor, das in bewohnbaren Räumen vorhanden sein muss. Ein höherer Turm bedeutet oft einen breiteren Turm, und je breiter die Basis, desto weniger natürliches Licht kann ins Innere dringen.
• Wirtschaftlich: Der Bau hoher Wolkenkratzer schafft viel vermietbare Bodenfläche, um Einnahmen zu erzielen, ja - dies wird jedoch durch die Baukosten und die Marktnachfrage ausgeglichen. Der höchste Turm in Dubai wird anders finanziert als die meisten marktgetriebenen Bauten in Hauptstädten. Den Markt mit vermietbarer Fläche zu überschwemmen ist eine gute Möglichkeit, den Markt zu töten, es sei denn, der wirtschaftliche Zweck des Turms wird durch politische oder andere Zwecke ersetzt.
• Aufzüge: Ja, ich habe an einem Seminar über das Design von Aufzügen teilgenommen, und die Hauptaussage des Beraters lautet, dass Aufzüge ein wichtiger Faktor für die Höhe sind. Die Leute warten nur kurz, bevor sie zu dem Boden gelangen, den sie erreichen müssen. Denken Sie daran, dass Aufzüge Höhenbeschränkungen haben und normalerweise auch Sky-Lobbys implementiert werden müssen.

Die Struktur ist also eigentlich nur ein kleiner Teil aller Überlegungen, die mit der Höhe zu tun haben. Um diese Einschränkung zu beseitigen, ist es jedoch erwähnenswert, dass Nanoröhren eine gute Spannung aufweisen, aber eine nicht so gute seitliche Festigkeit oder Druckfestigkeit.

Der beste Weg, die neue Technologie zu nutzen, besteht darin, vorgespannte Randelemente zu schaffen, um die strukturelle Steifigkeit zu erhöhen und eine seitliche Bewegung durch Windkräfte zu verhindern.

Ein Turm mit exponierter Struktur, der diese Technik verwendet, ist der ziemlich bescheidene Central Park Tower in Perth, Westaustralien:

Die Architekten legten die Struktur frei – aber kurz eine Diskussion mit dem Tragwerksplaner ergab, dass die sichtbare Säule und das „Dreieck“ an der Turmspitze in Spannung stehen, um diese Bewegung zu reduzieren. Ihre Nanoröhren würden es diesem Prinzip ermöglichen, wesentlich weniger Durchbiegung und damit einen höheren Turm zu erzeugen (wie viel kann ich jedoch nicht sagen).

Wenn man bedenkt, dass Kohlenstoffnanoröhren als "Seil"-Faser eine extrem starke Zugfestigkeit, aber keine Druckfestigkeit haben würden, stellt sich die Frage: Wie nutze ich die Zugfestigkeit, um eine Kompression zu vermeiden?

Dazu gibt es mindestens drei Möglichkeiten, von denen zwei in der modernen Technik bereits üblich sind.

1) Luftgestützte Strukturen - Stellen Sie sich ein riesiges, vertikales Luftschiff vor. Stellen Sie sich nun viele davon vor, lang und schmal, die als Stützstruktur verwendet werden. Ein gewebtes Gewebe aus Kohlenstoffnanoröhren könnte so hergestellt werden, dass es im Inneren sehr hohen Drücken standhält, wodurch ein sehr starrer "Balken" entsteht, der genau genommen ein Ballon ist. (Nebenbemerkung, Ballontiere für Riesen!)

2) Vorspannung – Ähnlich wie bei Stahlbeton wird die Spannung, die den Druckelementen vor der Belastung hinzugefügt wird, bereits verwendet, um die Durchbiegung zu minimieren und eine höhere Konstruktion zu ermöglichen.

3) Aktive Stützstrukturen – Dies ist mein Favorit und nebenbei gesagt, obwohl es die fortschrittlichste Technologie erfordert, ist es in der Lage, die höchsten Strukturen zu bauen. Ähnlich wie beim luftgestützten Konzept verwenden aktive Strukturen ein nicht festes Medium, um die Form einer Struktur beizubehalten. Strukturelle Unterstützung gibt Schub. Dieser Schub ist normalerweise statisch und der nach unten gerichteten Schwerkraft genau entgegengesetzt. Nun sind strukturelle Stützen nicht die einzige Möglichkeit, Schub zu liefern – andernfalls wäre es sehr schwierig, Raketen vom Boden abzuheben. Es ist möglich, ein solches aktives System auch zur Unterstützung eines Gebäudes zu verwenden, aber eine Rakete würde nicht ausreichen, da die Reaktionsmasse kontinuierlich verloren geht. Stattdessen besteht die Idee für eine solche Struktur (allgemein als Weltraumbrunnen bezeichnet) darin, magnetisch geladene Partikel in einem Strom durch eine evakuierte Röhre zu zwingen. wo sie oben durch ein Rückführrohr wieder nach unten umgelenkt werden. Diese Durchbiegung liefert den Schub, um das Gebäude zu stützen. Für die Verwendung von hochfesten Seilen wie den Carbon-Nanotube-Seile ist dies bisher irrelevant. Wir möchten jedoch, dass unser Brunnenturm starr ist, damit unsere Penthouse-Gäste ihr Mittagessen nicht verlieren. Hmmmm, Starrheit? Dies erinnert an die zweite Methode, die ich beschrieben habe. Die Spannung würde einen übermäßigen Schub ermöglichen, um den Turm genau auf der gewünschten Höhe zu halten, und durch die Verwendung von ausreichend abgewinkelten Halteleinen, um den seitlichen Schub (durch Wind, Erdbeben usw.) auszugleichen, genau wie beim Mast eines Schiffes, würde der Turm dies tun senkrecht gehalten werden. dies ist für die Verwendung von Kabeln mit hoher Zugfestigkeit, wie z. B. den Seilen aus Kohlenstoff-Nanoröhren, irrelevant. Wir möchten jedoch, dass unser Brunnenturm starr ist, damit unsere Penthouse-Gäste ihr Mittagessen nicht verlieren. Hmmmm, Starrheit? Dies erinnert an die zweite Methode, die ich beschrieben habe. Die Spannung würde einen übermäßigen Schub ermöglichen, um den Turm genau auf der gewünschten Höhe zu halten, und durch die Verwendung von ausreichend abgewinkelten Halteleinen, um den seitlichen Schub (durch Wind, Erdbeben usw.) auszugleichen, genau wie beim Mast eines Schiffes, würde der Turm dies tun senkrecht gehalten werden. dies ist für die Verwendung von Kabeln mit hoher Zugfestigkeit, wie z. B. den Seilen aus Kohlenstoff-Nanoröhren, irrelevant. Wir möchten jedoch, dass unser Brunnenturm starr ist, damit unsere Penthouse-Gäste ihr Mittagessen nicht verlieren. Hmmmm, Starrheit? Dies erinnert an die zweite Methode, die ich beschrieben habe. Die Spannung würde einen übermäßigen Schub ermöglichen, um den Turm genau auf der gewünschten Höhe zu halten, und durch die Verwendung von ausreichend abgewinkelten Halteleinen, um den seitlichen Schub (durch Wind, Erdbeben usw.) auszugleichen, genau wie beim Mast eines Schiffes, würde der Turm dies tun senkrecht gehalten werden.

Sie könnten sie verwenden, um die Last der Gebäude mit Vakuumballons zu verringern ...

Die Luftdichte bei Standardtemperatur und -druck beträgt 1,28 g/l, 1 Liter verdrängte Luft hat also eine ausreichende Auftriebskraft, um 1,28 g zu heben. – Wikipedia

...auf der Venus:

Von allen bekannten Planeten und Monden des Sonnensystems hat nur die Venusatmosphäre ein [Lana-Atmosphärenverhältnis], das groß genug ist, um den [Lana-Koeffizienten] für Materialien wie einige Verbundwerkstoffe (unter einer Höhe von ca. 15 km) und Graphen (unter einer Höhe von ca 40 km). – ebenda.

Neben Thornes Antwort können Sie dies auch mit aktiver Unterstützung verbinden. Die Idee ist dieselbe wie bei einem Blatt Papier über dem Feuer – Sie prallen etwas von der Unterseite der gestützten Struktur ab. Auf dem YouTube-Kanal von Isaac Arthur finden Sie eine großartige Erklärung dazu und zu vielen weiteren Dingen

Kohlenstoffnanoröhren haben eine große Zugfestigkeit. Wenn Sie sie für den Bau eines Wolkenkratzers verwenden möchten, müssen Sie sie unter Spannung arbeiten lassen, um ihre oben genannte Zugfestigkeit richtig zu nutzen.

Wo in einem Wolkenkratzer haben wir Spannung?

Nicht an den Pfeilern: Sie arbeiten meist auf Druck, und nur wenn sich der Wolkenkratzer unter seitlicher Belastung (meist durch Wind) durchbiegt, haben sie Zugbeanspruchung. Für diese Komponenten möchten Sie möglicherweise weiterhin Stahl und Beton verwenden.

Aber wenn Sie die horizontalen Balken verlegen möchten, um Böden und Decken zu tragen, können Ihnen Kohlenstoffnanoröhren helfen. Die Unterseite eines belasteten Trägers wird auf Zug beansprucht.

Wenn Sie stattdessen Kohlenstoffnanoröhren anstelle von Stahl verwenden, um die Unterseite des Balkens zu verstärken, können Sie das Gewicht der Decke bei gleicher Oberfläche verringern, wodurch Sie die Belastung der Pfeiler verringern. Dies wird Ihnen helfen, eine höhere Struktur zu bauen, da Sie mehr Stockwerke stapeln können, bevor Sie die Belastungsgrenze der Säulen erreichen.