Σμήνη από μίνι ρομπότ θα μπορούσαν να σκάψουν τις σήραγγες του μέλλοντος

 Η βιομηχανία υπόγειων εκσκαφών εξερευνά μίνι ρομπότ, πυρσούς πλάσματος και υπερθερμασμένο αέριο για να αντικαταστήσει τα τεράστια εκσκαφικά μηχανήματα που χρησιμοποιούνται τώρα.

Για δεκαετίες, οι μηχανικοί που επιδιώκουν να κατασκευάσουν υπόγειες σήραγγες βασίζονται σε τεράστιες μηχανές που μοιάζουν με σωλήνα, οπλισμένες με μια τρομακτική σειρά από τροχούς κοπής στο ένα άκρο - λεπίδες που τρώνε χώμα για το πρωινό τους. Αυτά τα μεγαθήρια, που ονομάζονται μηχανές διάνοιξης σήραγγας ή TBM, είναι ακριβά και συχνά κατασκευάζονται ειδικά για το κάθε έργο, όπως και τα TBM που χρησιμοποιήθηκαν για την εκσκαφή της σήραγγας για την γραμμή Elizabeth Line του Λονδίνου, που άνοιξε πρόσφατα. Τα μηχανήματα που χρησιμοποιήθηκαν σε αυτό το έργο ζύγιζαν πάνω από 1.000 τόνους το καθένα και έκοψαν σήραγγες διαμέτρου άνω των 7 μέτρων κάτω από την πρωτεύουσα του Ηνωμένου Βασιλείου.

Όμως, η βρετανική startup hyperTunnel έχει άλλες ιδέες. Η εταιρεία προτείνει ένα μέλλον στο οποίο πολύ μικρότερα, μήκους περίπου 3 μέτρων, ρομπότ σε σχήμα ημικύλινδρου, ζουμάρουν υπόγεια μέσω προδιατρυπημένων σωλήνων. Αυτοί οι σωλήνες, περίπου 25 εκατοστά σε διάμετρο, θα ακολουθούν το περίγραμμα των τοιχωμάτων της προτεινόμενης σήραγγας. Μόλις μπουν μέσα τους, τα ρομπότ θα χρησιμοποιούν έναν ρομποτικό βραχίονα με μια κεφαλή φρεζαρίσματος για να διεισδύσουν στη γύρω γη και να χαράξουν μικρά κενά που στη συνέχεια θα γεμίσουν με σκυρόδεμα ή κάποιο άλλο ισχυρό υλικό. Κομμάτι-κομμάτι σαν αυτό, η δομή μιας νέας σήραγγας θα ενώνεται. 

«Μιλάμε για χιλιάδες από αυτά», λέει ο διευθυντής μηχανικής του hyperTunnel, Patrick Lane-Nott. «Όπως μια αποικία μυρμηγκιών ή τερμιτών λειτουργεί σε σμήνη». Ένα βίντεο που κυκλοφόρησε από την εταιρεία περιλαμβάνει ένα τρισδιάστατο animation των ρομπότ που σκάβουν σαν κάστορες σε μια φανταστική υπόγεια δομή τεραστίων διαστάσεων. Η διαδικασία φαίνεται σαν να ανοίγεις σήραγγες αντίστροφα. Με ένα TBM, σκάβει κανείς πρώτα την τρύπα και στη συνέχεια προσθέτει στηρίγματα ή τοίχους για να κρατήσει μακριά το υπόλοιπο χώμα που περιβάλλει το κενό. 

Με την προτεινόμενη νέα τεχνική : «Βάζουμε τη σήραγγα στο έδαφος - και μετά σκάβουμε την τρύπα», λέει ο Lane-Nott. Μόλις κατασκευαστεί η δομή, το υλικό που γεμίζει τον θάλαμο της σήραγγας μπορεί να αφαιρεθεί. Ένα πλεονέκτημα αυτής της διαδικασίας, υποστηρίζει ο ίδιος, είναι η χρήση λιγότερου οικοδομικού υλικού, συνολικά. Αντί να τοποθετούνται τυποποιημένα τμήματα του τοίχου της σήραγγας σε όλο το μήκος του έργου, το εξωτερικό πάχος της κατασκευής θα μπορούσε να ποικίλλει ανάλογα με την πραγματική γεωλογία και τις πιέσεις που περιβάλλουν τη σήραγγα σε οποιοδήποτε δεδομένο σημείο. Οι ειδικοί στις σήραγγες συμφωνούν ότι η βιομηχανία φωνάζει για τεχνολογικές λύσεις που θα μειώσουν το κόστος  και θα αυξήσουν την απόδοση. Μπορεί να χρειαστούν χρόνια για να σχεδιαστεί και να κατασκευαστεί ένα TBM και στη συνέχεια να σκάψει μια σήραγγα. 

Μια πλειάδα νέων εταιρειών, που υπόσχονται να ταρακουνήσουν τα πράγματα αναδύεται - από την Boring Company του Elon Musk μέχρι το hyperTunnel και εταιρείες που αναπτύσσουν νέες μεθόδους υψηλής θερμοκρασίας για ανατίναξη των πιο σκληρών βράχων στη Γη. «Συμβαίνουν πολλά και νομίζω ότι αυτό είναι καλό, γιατί ο κλάδος των σήραγγας πρέπει να βελτιωθεί», λέει η Jasmin Amberg, υπεύθυνη έργου στην Amberg Engineering, μια υπόγεια κατασκευαστική εταιρεία που ιδρύθηκε από τον παππού της. Στα μάτια της, η επιχείρηση της διάνοιξης σήραγγας πρέπει να γίνει πιο γρήγορη και πιο βιώσιμη.

Βέβαια, αυτή τη στιγμή δεν υπάρχει έλλειψη δουλειάς, σε παγκόσμια βάση. Η Κίνα ολοκλήρωσε πρόσφατα μια σιδηροδρομική σήραγγα μήκους 20 χιλιομέτρων στα Όρη Longmen μετά από μια δεκαετία κατασκευής. Υπάρχει το σιδηροδρομικό έργο HS2 στο Ηνωμένο Βασίλειο, το οποίο θα συνδέει το Λονδίνο με πόλεις στο βόρειο τμήμα της χώρας και πρόκειται να χρησιμοποιεί περισσότερα από 100 χιλιόμετρα τούνελ κατά μήκος της προτεινόμενης διαδρομής του. Ο Peter Vesterbacka, ο οποίος εργαζόταν για την εταιρεία ανάπτυξης του δημοφιλούς παιχνιδιού Angry Birds της Rovio, βρίσκεται πίσω από ένα φιλόδοξο σχέδιο για την κατασκευή μιας υποθαλάσσιας σήραγγας μεταξύ Φινλανδίας και Εσθονίας. Αυτά είναι μόνο μερικά παραδείγματα.

Η Amberg προβλέπει αυξανόμενη ζήτηση για υπόγειες υποδομές στο μέλλον - ιδίως ως μέσο διαφυγής από τις αυξανόμενες θερμοκρασίες πάνω από το έδαφος λόγω της κλιματικής αλλαγής. «Ίσως δεν είναι τόσο κακό να έχουμε ένα μέρος όπου θα έχουμε πιο σταθερές θερμοκρασίες», λέει.

Τα τούνελ δεν είναι μόνο για μεταφορά. Ο Troy Helming, ιδρυτής και Διευθύνων Σύμβουλος της startup EarthGrid με έδρα το Σαν Φρανσίσκο, τονίζει την ανάγκη να τεθούν υπόγεια καλώδια ηλεκτρικού ρεύματος - αυτό στοχεύει να κάνει η εταιρεία του. Η συντριπτική πλειονότητα των καλωδίων μεταφοράς είναι πάνω από το έδαφος στις Ηνωμένες Πολιτείες και τον Καναδά, σημειώνει, αφήνοντάς τα εκτεθειμένα σε τυφώνες και άλλες καταιγίδες καθώς και, όλο και περισσότερο, σε δασικές πυρκαγιές.

«Το σχέδιό μας είναι να τοποθετήσουμε ένα υπερδίκτυο σε όλη τη Βόρεια Αμερική», λέει, προσφέροντας έναν χάρτη με χρωματιστές γραμμές που δείχνει το εν λόγω πλέγμα που εκτείνεται από την ανατολική ακτή μέχρι τον Ειρηνικό Ωκεανό και μελλοντικά υπεράκτια αιολικά πάρκα στα δυτικά. Είναι ένα σχέδιο που θα μπορούσε να βοηθήσει στη σύνδεση του κατακερματισμένου δικτύου των ΗΠΑ - και ενδεχομένως μια μέρα να επεκταθεί ακόμη και στην Ευρώπη, για να αξιοποιήσει το τεράστιο αιολικό δυναμικό ανοικτής θάλασσας εκεί. «Είναι τρελό και τολμηρό, και το ξέρουμε αυτό», λέει ο Helming.

Ένα εμπόδιο είναι ο εξαιρετικά σκληρός βράχος, όπως ο γρανίτης και ο χαλαζίτης, που καθιστά δύσκολη ή αδύνατη την παραδοσιακή ανασκαφή σε ορισμένα από αυτά τα μέρη. Ο Helming ποντάρει στην τεχνολογία πυρσού πλάσματος που θερμαίνει το βράχο σε περίπου 6.000 βαθμούς Κελσίου και τον ανατινάζει σε αναρίθμητα μικροσκοπικά κομμάτια, ως μια πιθανή λύση. Φρονεί ότι αυτό θα μπορούσε να επιτρέψει τη δημιουργία σηράγγων σε σκληρούς βράχους 100 φορές πιο γρήγορα από ό,τι με την τρέχουσα τεχνολογία. Η EarthGrid αναπτύσσει ένα πρωτότυπο ρομπότ με πέντε πυρσούς πλάσματος, το οποίο ο Helming λέει ότι θα είναι έτοιμο για δοκιμή τον Μάρτιο του 2023. Η εταιρεία στοχεύει επίσης να ολοκληρώσει το πρώτο, μικρής κλίμακας εμπορικό της έργο μέχρι το τέλος αυτού του έτους.
Ο ίδιος σημειώνει ότι, στην περίπτωση της  EarthGrid, οι σήραγγες δεν θα έχουν κυκλικό σχήμα αλλά μάλλον ένα παραδοσιακό πέταλο - φανταστείτε ένα τετράγωνο με ένα τόξο στην κορυφή, αντί για μια επίπεδη οροφή. Αυτό, υποστηρίζει, διευκολύνει την εγκατάσταση σχαρών καλωδίων ή, σε μεγαλύτερες σήραγγες μεταφοράς, επιφάνειες αυτοκινητοδρόμου στην επίπεδη βάση της σήραγγας.

Η αντίπαλη εταιρεία Petra στοχεύει επίσης να τρυπήσει σκληρούς βράχους χρησιμοποιώντας τη δύναμη της θερμότητας, αν και με μια συσκευή θερμικής κοπής που χρησιμοποιεί ένα υπερθερμασμένο ρευστό υλικό - αντί με έναν πυρσό πλάσματος. Η ιδέα είναι να ξεπεράσουμε τις «εφιαλτικές γεωλογίες» με σχετική ευκολία, λέει ο διευθύνων σύμβουλος και συνιδρυτής Kim Abrams. «Ολοκληρώσαμε μια σήραγγα 10,5 μέτρων και διαμέτρου 76 εκατοστών σε γρανίτη μόλις την περασμένη εβδομάδα», λέει, προσθέτοντας ότι η εταιρεία ελπίζει να ξεκινήσει εμπορικές εργασίες τον επόμενο χρόνο. Αναφέρει επίσης ότι η εταιρεία εργάζεται σε μια ξεχωριστή λύση για να αντιμετωπίσει το άλλο άκρο του φάσματος - το εξαιρετικά μαλακό ή εμποτισμένο με νερό χώμα, που συχνά βρίσκεται κάτω από ή κοντά σε παράκτιες πόλεις.
Αυτές οι τεχνολογίες διάνοιξης σήραγγας δεν έχουν ακόμη αποδείξει ότι μπορούν να επιτύχουν σε κλίμακα, σημειώνει η Amberg. Συνεχίζει λέγοντας ότι η ιδέα του hyperTunnel είναι ενδιαφέρουσα, αλλά προσθέτει ότι δεν είναι σίγουρη πώς τα ρομπότ θα μπορούσαν να αντιμετωπίσουν σκληρότερες γεωλογίες ή έδαφος με νερό, για παράδειγμα.

Ο Jian Zhao είναι καθηγητής στο Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών στο Πανεπιστήμιο Monash στην Αυστραλία. Αυτός και οι συνεργάτες του έχουν εξερευνήσει τη χρήση τεχνολογιών λέιζερ, μικροκυμάτων και υδροβολής υψηλής πίεσης, μεταξύ άλλων, για εφαρμογές διάνοιξης σήραγγας. Είναι δύσπιστος ότι η μέθοδος που βασίζεται στη θερμότητα της Petra, για παράδειγμα, θα είναι από μόνη της επαρκής για μεγάλα έργα διάνοιξης σήραγγας, αλλά αναρωτιέται αν θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί παράλληλα με τις μηχανικές εκσκαφές.
«Η χρηματοδότηση εκκίνησης, οι επενδύσεις από μικρούς μέτοχους και όλα αυτά που τροφοδοτούν μέρος αυτής της καινοτομίας, νομίζω ότι είναι φανταστικά», λέει ο Michael Mooney, καθηγητής Υπόγειας Κατασκευής και Σήραγγας στην Έδρα Grewcock στο Colorado School of Mines. Συμφωνεί ότι είναι αβέβαιο το άν κάποια από αυτές τις νέες τεχνολογίες διάνοιξης σήραγγας θα φτάσει σε μεγάλη εμπορική επιτυχία, αλλά τονίζει ότι πιο γρήγορες και φθηνότερες τεχνικές είναι πολύ περιζήτητες στον κλάδο.

Υποστηρίζει επίσης ότι η Boring Company, η οποία αναπτύσσει το δικό της είδος TBM που μπορεί να εκτοξευθεί από την επιφάνεια για να σκάψει υπόγειες σήραγγες (η συμβατική τεχνική προβλέπει πρώτα την εκσκαφή μιας τρύπας και μετακίνηση του TBM προς τα κάτω για να  ξεκινήσει η διάνοιξη tunnel), έχει καινοτομήσει επίσης με εμπορική έννοια, καθώς η εταιρεία σχεδιάζει να τυποποιήσει τις συσκευές διάνοιξης σήραγγας για χρήση σε όλα τα έργα.

«Η κατασκευή μιας νέας μηχανής διάνοιξης σήραγγας για ένα συγκεκριμένο έργο κάθε φορά προσθέτει πολυπλοκότητα και κόστος», εξηγεί ο Mooney.

Τέλος, η  Amberg αναφέρει ότι υπάρχει μια πληθώρα σηράγγων σε όλο τον κόσμο, που είναι πλέον γηρασμένες και που απαιτούν συντήρηση και επισκευή - πολλές  βρίσκονται στη χώρα της, την Ελβετία. Τονίζει πως απαιτούνται νέες τεχνολογίες για να γίνουν αυτά  τα έργα με αποτελεσματικότητα.

Μεταξύ αυτών που στοχεύουν σε τέτοιες αγορές είναι το hyperTunnel. Ο Lane-Nott λέει ότι τα bots της εταιρείας του θα είναι σε θέση να «σπρώξουν» σωλήνες για να εξυπηρετήσουν την εξωτερική δομή των υπόγειων σηράγγων χωρίς οι χειριστές να χρειαστεί να σταματήσουν την οδική ή σιδηροδρομική κυκλοφορία στο εσωτερικό. Και αυτή η επανάσταση έχει ήδη ξεκινήσει. Η Network Rail, η οποία κατέχει και διαχειρίζεται μεγάλο μέρος του σιδηροδρομικού δικτύου της Μεγάλης Βρετανίας, έχει συμμετάσχει στην hyperTunnel σε ένα έργο σε αυτό το πνεύμα, προσθέτει ο Lane-Nott.
Είναι ένα μικρό βήμα προς αυτό το όραμα των χιλιάδων ρομπότ που εργάζονται αρμονικά για να δημιουργήσουν τεράστιες υπόγειες κατασκευές - αυτό που ο ίδιος αποκαλεί «η δύναμη του σμήνους».

Το μέλλον μας είναι γεμάτο τούνελ. Ο αγώνας είναι σε εξέλιξη για να μάθουμε ποιος θα τα σκάψει και πώς.

Πηγή: Wired