Student World

Obrázek: Sekvence generování stavby a detail struktury.

Atom House, studie fáze 3, autor: M. Florián, spolupráce: M. Kutálek, rok 2005-2007.  

V současnosti ve vědě a technologií probíhá revoluce, kterou umožňuje naše schopnost měřit, manipulovat a organizovat hmotu v oblasti nanometrů. Ve vědeckých a technických souvislostech používáme předponu nano- pro miliardtinu nějaké jednotky. Nejde o další fázi miniaturizace, ale o kvalitativní nové chování hmoty. Komponenty okolo jednoho nanometru již nemusejí vykazovat chování typické pro makroskopické objekty.

Nanoprojektování

Nanozařízení a nanostroje patří mezi nejsložitější nástroje, které člověk vůbec kdy projektoval. Projektování v současnosti probíhá pomocí programů, jež jsou napsány v rozmanitých jazycích, jako jsou VHDL a Verilog. Nanozařízení či nanostroje jsou vytvářeny automaticky v rámci rozsáhlého systému, který znázorňuje namísto trojrozměrného designu symboly programovacího jazyka. Designér popisuje stroj, který vykonává určitý úkon a pohyb. Software projektu popisuje pohyb stroje a rozhoduje, zda se jedná o chytré chování, o přímé rychlé ovládání spojovacích článků, hlavní rameno poháněné krokovými motory řízenými procesory nebo o nějakou jejich kombinaci.

Pro vysoce stylizované aplikace vznikají systémy, které se automaticky generují a jsou v podstatě automatizovanými dotazníky, jež dovolují popis potřebných typů řešení designu nanozařízení a nanostrojů.

Technologie autogeneze

 Technika autogeniky představuje výrobní základnu – všechny stroje, které vyrábějí stroje – schopnou produkovat kterýkoli komponent stroje. V nanoměřítku je třeba postavit komponent atom po atomu nebo molekulu po molekule, protože tento proces zaručuje dokonalou kontrolu umístění, kam který atom či molekula patří, aby vznikl dokonalý finální komponent. Metoda přesného řízení reakcí se nazývá mechanosyntéza. Mechanosyntéza umožňuje, abychom precizně stavěli komponenty z milionů atomů díky přesnému dosazení atomů na konkrétní předem stanovené místo. V našem kontextu to znamená projekty, které by byly schopny, kdyby existovaly, stavět více a více strojů, jako jsou samy a provádět tak mechanosyntézu. Výsledkem je technologie autogeneze.

Atom House

V prvním představovaném projektu Atom House jako autor architekt, který spolupracuje s mladým architektem Michalem Kutálkem v oblasti počítačového generování formy a struktury, vycházím z nanotechnologie, která není souborem zvláštních technik, zařízení a produktů. Jedná se spíše o soubor schopností, které nastanou, až se naše technologie dostane blízko hranic stanovených atomovou fyzikou. Je možné dělat předpovědi pro takovou technologii, aniž jsou známy specifika, jak jich bude dosaženo. Dále je možné například znát sílu látky s daným vzorem atomů a kovalentních vazeb, aniž je známý proces, jakým byly formovány.

Musí se však znát vzory atomů a vazeb. Zákony fyziky nesdělují přímo, jak silný může být nějaký materiál, ale řeknou, jak silný bude určitý materiál. Podobně, fyzikální zákon nesděluje, jak silný může být motor, ale řekne, jak silný bude určitý motor. Hranice schopností nanotechnologie se mohou pochopit pouze analyzováním souboru projektů.

Projekt analyticky zohledňuje dostupné poznatky uvedené nejen v tomto textu, a proto je postaven na schopnosti vyrábět z molekulární stavebnice rotory, něco, co má osičku, setrvačník, co se může točit, co se dá pohánět elektrickým polem, světlem nebo proudem plynu. Jednotlivé stavební bloky stavebnice se skládají z molekul o desítkách až stovkách atomů. Molekulární stavebnice umožňuje v rámci struktury projektu stavby syntézu zatím neznámých materiálů neobvyklých vlastností. V tomto případě jde o zcela nové materiály, při jejichž přípravě by se mohla řídit přesná poloha jednotlivých chemicko-fyzikálních skupin. Jako o základních strukturálních modelech se uvažuje o sendvičových molekulárních rastech a trojrozměrných vícepatrových vrstev sestavených z molekulárních spojek a trubiček. Podle toho, jaký druh spojek a trubiček bude aplikován, se budou moci vyrobit molekulární sendvičové rastry různé symetrie a velikosti ok. Zajímavější materiály pro struktury vznikají přidáním různých aktivních prvků nejen do dutin ok, ale i k uzlovým bodům rastru.

Počítačové simulace vedou k pochopení vztahu mezi strukturou a funkcí. Zkoumají závislost chování těchto systémů na struktuře motoru a rastru, na mechanismu pohánění čerpadla, setrvačníku či vrtule, na teplotě systému i na dalších faktorech. Výsledkem jsou optimální struktury materiálu pláště stavby s integrovanými rotory, setrvačníky, čerpadly a vrtulemi, která mohou mít například podobu sendviče, který lze programovat pomocí elektrického náboje. Programovatelné kvantové body mohou vytvářet kovové vodiče uvnitř struktur, vytvořit elektrický obvod, který provede určitou úlohu a následně tento obvod smazat.

Cílem je konstrukce materiálů s přesně definovanou adaptivní strukturou na atomární úrovni a s vestavěnými molekulárními zařízeními, která vykonávají různé řídicí funkce jako větrání, topení, chlazení, osvětlení a podobně. Tyto systémy lze programovat tak, aby měly neuvěřitelně malou velikost, měnily tvar a přizpůsobovaly se změnám prostředí. Struktura projektu by se měla být schopna chovat distribuovaným způsobem velmi podobně jako vzájemně spolupracující buňky v lidském těle.

Jednotlivé stavební komponenty struktury projektu získávají design pomocí CAD systémů a pak se pomocí speciálního softwaru buď přímo tisknou, anebo se vyrábějí v plně automatizované nanotovárně.

 Next Level

V druhém představovaném projektu Next Level jeho autor architekt Michal Kutálek zobrazuje futuristickou urbanistickou vizi výstavby a rozvoje megaměst v prostředí geostacionární dráhy Země (grafika viz zde.). Hledá odpověď na otázky, jak dlouho bude Země pro člověka skutečně obyvatelná a kdy nastane čas hledat možnou alternativu.

Člověk je již dnes  postupně vylepšován různými implantáty a v budoucnu bude pronikání elektronických implantátů a genetických modifikací pokračovat. Člověk díky tomu urychlí svou evoluci. Bude člověk za sto let vypadat stále stejně?

S rozvojem digitálních technologií dojde k přesunu mnoha lidských aktivit z reálného světa do virtuálního. Bude to mít za následek další urychlení života a práce. Dojde k online přiblížení domova a pracoviště, což bude mít za následek, že místa pro setkávání získají na atraktivitě v souvislosti s využitím volného času.

Soustava měst budoucnosti bude napojena na vesmírný výtah. Jednotlivé nové městské struktury rostou v pravidelném rastru řízeném vloženou genetickou informací. Jakmile dojde k dosažení dospělého stavu hvězdice města, začnou rašit z jednoho chapadel nové výhonky budoucích měst. Ty se budou opě postupně rozvíjet a růst, aby mohly umožnit vznik dalších měst. Kompozice rastru v sobě skrývá možnost prostorové rezervy růstu města do šířky.

Dopravní systém je základním prvkem celé městské megastruktury a jeho řešení odpovídá systému krevního oběhu: tepny-cévy-žíly-vlásečnice. Samotná forma základního prvku města je inspirována tvarem neuronu, který v přírodním světě umožňuje nejrychlejší transport.

Organismus města je inteligentní hmotou-umělým tvorem, který se pohybuje na pomezí mezi živočichem, rostlinou a inteligentním materiálem. Město žije v symbióze s člověkem, tak jako v přírodě spolu žijí například velryby s menšími rybami-jejich čističi…

Biotechnologické procesy odehrávající se v nanoměřítku umožňují, aby se hmota tvarově vyvíjela, zvětšovala, měnila velikost vnitřních prostorů. Může se tak přizpůsobovat požadavkům a potřebám jeho obyvatel. Hmota vytváří umělou gravitaci. Svým obyvatelům poskytuje základní životní funkce: přeměňuje oxid uhličitý na kyslík, vytváří tlak a klima, čistí ovzduší a zároveň reguluje vlhkost, teplotu a tlak, recykluje vodu a odpady. Samoopravitelný plášť nevyžaduje údržbu a zároveň rozvádí elektřinu, vodu, teplo. Na vnějším povrchu jsou umístěny solární elektrárny využívající sluneční svit i solární vítr.

Tento text je převzat se svolením časopisu Tecnicall, čtvrtletníku pražského ČVUT.

Webové stránky časopisu s dalšími texty ve romátu PDF

Miloš Florián, ing.arch. Ph.D.,FA ČVUT Praha, Ústav stavitelství I.-15 123. Od podzimu roku 2004 vedoucí ateliéru Glass & Freeform Architecture. Zajímá se o počítačem simulované navrhování inteligentních skleněných fasád, struktur architektur volných forem a nanotechnologie.

autor Miloš Florián