A mai felhőkarcolók már rég átlépték a 800 méteres határt: a dubaji Burdzs Khalifa (828 méter) és a Szaúd-Arábiában épülő Jeddah Tower (1008 méter) is bizonyítja, hogy az ember képes egyre magasabbra „mászni”. De vajon van-e határ?
A tudósok és mérnökök vitatkoznak azon, hogy milyen magas lehet egy épület, mielőtt a fizika és a technológia törvényei azt mondják: „állj!”.
Az első felhőkarcoló – a 10 emeletes, 54,9 méter magas Home Insurance Building – 1885-ben épült Chicagóban. Az acélváz és a biztonságos liftek tették lehetővé a városok vertikális növekedését. 1931-re az Empire State Building elérte a 443 métert. Ma a technológia lehetővé teszi, hogy háromszor magasabbra építsünk, de minden új méter tucatnyi probléma megoldását igényli: az anyagok szilárdságától a több ezer lakos logisztikájáig.
A felhőkarcolókban a fő terhelés a vázra nehezedik. A modern acél- és betonötvözetek óriási nyomást bírnak el, de az épület tömege arányosan nő a magasságával. Például a Burdzs Khalifa 500 000 tonnát nyom. Ha megdupláznánk a magasságát, az alsó emeleteket abszurd méretekre kellene szélesíteni, hogy elbírják a terhelést.
A tudósok a szénszálas műanyagokkal és a nanocsövekkel kísérleteznek – ezek erősebbek az acélnál és könnyebbek. Az ilyen anyagok ipari méretű előállítása azonban egyelőre túl drága.
A felhőkarcoló akár 10 megapascal nyomást is gyakorolhat a talajra – ez olyan, mintha három Eiffel-torony nehezedne egy teniszpálya méretű területre. Dubajban a Burdzs Khalifa alapja 50 méter mélyen van, és 192 cölöp erősíti. Egy 2-3 km magas épülethez vagy tökéletesen stabil talajra lenne szükség, mint például egy gránitlap, vagy alapvetően új terheléselosztási módszerekre, például külső támaszokkal ellátott hibrid szerkezetekre.
500 méteres magasságban a szélsebesség eléri a 45 m/s-ot. A rezgések kilengethetik az épületet és tönkretehetik a szerkezetét. A tajvani Taipei 101 felhőkarcolóban egy 660 tonnás lengéscsillapító inga van beépítve, amely ellensúlyozza a rezgéseket. A kilométeres tornyokhoz a mérnökök szenzorokkal és automatikus kiegyensúlyozással ellátott dinamikus rendszereket javasolnak. De minél magasabb az épület, annál erősebbek a rezonancia jelenségek – egy apró számítási hiba pedig katasztrófát okozhat.
A Burdzs Khalifában a liftek 10 m/s sebességgel emelkednek, de az 1 km-nél magasabb épületekhez ez nem elég. Az acélkábelek már 1,5 km-en elszakadnak a saját súlyuk alatt. Alternatív megoldás a szénszálas kábelek vagy a mágneses liftek kábelek nélkül, mint a mágnesvasutakban. Ilyen technológiák léteznek, de bevezetésük az építkezés költségeit a sokszorosára növelné.
Egy két kilométer magas felhőkarcolóban több száz emelet van. Így a tűzvédelmi evakuálás, a vízellátás, a szellőzés komoly fejfájást okozna. Dubajban a Burdzs Khalifa vízellátó rendszerét három független részre osztották. A magasabb épületekhez autonóm energiaegységekre, hulladékfeldolgozó miniüzemekre és helikopter-leszállóhelyekre lenne szükség 200 emeletenként.
Van-e határ?
Elméletileg a felhőkarcolók magasságának határa körülbelül négy kilométer, ha olyan anyagokat használunk, mint a gyémánt nanocsövek. A négy kilométeres szám nem fantázia, hanem a jövőbeli hipotetikus anyagok tulajdonságain alapuló elméleti számítások eredménye. A tudósok a fizika törvényeit és a modern és ígéretes technológiákra vonatkozó adatokat felhasználva modellezik a szerkezetek szilárdsági határait.
A szupermagas épületek fő „jelöltje” a szén nanocsövek vagy azok továbbfejlesztett változata – a gyémánt nanocsövek (DNT). Ezek a szerkezetek elméletileg akár 130 gigapascal húzófeszültséget is kibírnak (az acél kb. 0,5 GPa-t). Ha ezekből köteleket és vázat fonunk, csökkenthető az épület súlya és növelhető a megengedett magasság. 2005-ben a Rice Egyetem (USA) tudóscsoportja kiszámította: egy 100 GPa szilárdságú anyaggal akár négy kilométer magas tornyot is lehetne építeni.
Négy kilométeres magasságban az épület tömege körülbelül 1000 MPa nyomást gyakorolna az alapra. A modern betonok már 50 MPa-nál tönkremennek. De ha a váz szuperkönnyű és szupererős kompozitokból készül, a terhelés egyenletesebben oszlik el. Például a nanocsövek hatszor könnyebbek az acélnál, ugyanakkora szilárdság mellett. Ez csökkenti a szerkezet össztömegét, és ezáltal a talajra nehezedő nyomást is.
2021-ben a Massachusetts Institute of Technology (MIT) mérnökei egy 3,7 km magas tornyot modelleztek grafénerősítésű beton és kompozit gerendák felhasználásával. A modell azt mutatta, hogy szél hiányában és ideális talajviszonyok mellett a szerkezet nem omlik össze a saját súlya alatt. A valóságban azonban a szélterhelés csökkentené ezt a határt.
A négy kilométer tehát az az elméleti maximum, ahol az anyag csak a gravitációnak áll ellen. A valóságban a szél, a szeizmikus aktivitás, a hőmérséklet-ingadozások és a logisztika csökkentené a lécet. Például ezen a magasságon a szél elérheti a 70 m/s-ot, az alap és a csúcs közötti hőmérsékletkülönbség pedig 25 Celsius-fok is lehet. Ezeket a tényezőket a számítógépes modellezések nem veszik figyelembe.
A négy kilométer nem garancia, hanem egy tájékozódási pont, amely azt mutatja, hogy ha bizonyos tulajdonságokkal rendelkező anyagokat hozunk létre, akkor a fizika törvényei elméletileg nem tiltják, hogy ilyen magasra építsünk. De ma még egy két kilométeres felhőkarcoló is szinte lehetetlen feladat.
A BEJEGYZÉS A HIRDETÉS ALATTI GOMBBAL FOLYTATÓDIK
