Нанотехнологии – «Будущее сейчас»

Растёт использование нанотехнологичной одежды

Ткани, созданные с использованием нанотехнологий, становятся широко распространенными. Популярна у потребителя по-настоящему водонепроницаемая одежда. Она изготовлена из полиэфирных волокон, покрытых миллионами силиконовых нитей, и структурирована таким образом, что вода просто соскальзывает с нее, не оставляя ни намека на влажность.  Нанотехнологии также используются военными, полицией, пожарными и другими специалистами для повышения упругости и гибкости спецодежды, защитного снаряжения и другого оборудования. Некоторые виды униформы могут отталкивать химические и биологические реагенты.

Больше…

Запущен экспериментальный термоядерный реактор ITER

Искусственно созданная термоядерная реакция уже демонстрировалась в малом масштабе. Существовала задача отыскать способ увеличить его масштаб до уровня коммерческого использования эффективно, экономично и без нанесения вреда окружающей среде.

Реактор ITER, известный ранее как Международный термоядерный экспериментальный реактор, будет первым проектом, удовлетворяющим данным условиям. Он был построен на юге Франции за 20 миллиардов евро за десять лет, это один из самых грандиозных когда-либо предпринимаемых научных проектов, занимающий второе место после Международной космической станции. Это совместный исследовательский проект США, ЕС, Японии, России, Китая, Индии и Южной Кореи.

Чтобы продемонстрировать чистую термоядерную мощь в большом масштабе, реактор должен воспроизвести условия, аналогичные условий в центре Солнца. Для достижения данной цели используется устройство под названием токамак, удерживающее плазму магнитным полем. Это тороидальная вакуумная камера генерирует мощное магнитное поле, не дающее жару достигать стен реактора. Небольшие дозы топлива впрыскиваются и втягиваются в камеру. Здесь они разогреваются до температуры 100 миллионов градусов, формируя плазму. При такой высокой температуре легкие атомные ядра водорода сплавляются вместе, создавая более тяжелые соединения водорода, такие как дейтерий и тритий. Что высвобождает нейтроны и огромное количество энергии

После операционного запуска в 2025 году можно надеяться, что ITER в результате будет производить более 500 мегаватт мощи, порциями в 400 секунд и больше. Его можно сравнить с «Общим европейским тором» (JET), предыдущим рекордсменом по пиковой термоядерной мощи (16МВ), длившейся всего несколько секунд в 1997 году.

Потребуется еще несколько десятилетий, пока реактор ITER будет в достаточной степени усовершенствован. Для того чтобы генерировать продолжительное напряжение для коммерческих нужд, потребуется создать способ задержки плазмы в условиях критической плотности и температур. Для этого понадобится улучшить конструкцию камеры, применить усовершенствованные сверхпроводящие магниты и продвинутые вакуумные системы.

Однако это может привести к конечному прорыву в области энергетики. Если проект окажется удачным, человечество получит доступ к практически неограниченному запасу экологически чистой энергии.

Больше…

Разработка медицинских нанороботов

Разрабатываются наномасштабные роботы, чьи размеры на порядки меньше размеров ранних микро-версий. Они являются частью программы по улучшению и модернизации системы здравоохранения. В некоторых странах разработка и внедрение этих роботов уже вошли в стадию проведения испытаний на людях и скоро будут одобрены правительством. Они могут быть использованы как для диагностики, так и для лечения. Размер нанороботов позволяет им проникать в ранее недоступные места человеческого тела или же воздействовать на области, которые чересчур восприимчивы для обычных инструментов.

В ближайшие годы самый значимый прорыв произойдет в методах борьбы с раком. С использованием  нанороботов  можно будет обнаружить опухоль на самой ранней стадии, а затем воздействовать на нее с большой точностью. Даже излечение пациентов, которым раньше могли бы поставить диагноз «неизлечимо больной», становится обычным делом. Резко улучшаются возможности диагностики болезней сердца, неврологических расстройств и многих других заболеваний. В сочетании с выдающимися успехами в исследовании стволовых клеток это позволит создать следующее поколение медицинских препаратов с совершенно новым уровнем эффективности.

Нанороботы создаются методом молекулярного наслаивания с использованием позиционно-контролируемого алмазного механосинтеза и алмазоидных нанофабрик. Каждый робот способен самостоятельно перемещаться, используя крошечный моторчик, а также оснащен микроскопическими сенсорами, системой наведения и системой связи.

3D-печатные электронные мембраны предотвращающие сердечные приступы

После нескольких лет клинических испытаний, сначала проведённых на кроликах, а позже на людях, доступно новое устройство, которое может значительно улучшить мониторинг и лечение сердечных заболеваний. Используя технологию 3D-печати, создаётся ультра-тонкая мембрана, которая разрабатывается индивидуально и точно соответствует форме сердца пациента. Крошечные датчики, встроенные в сетке гибкой электроники, измеряют пульс, температуру, механические нагрузки и уровень pH с гораздо большей точностью и детализацией, чем это было возможно с помощью предыдущих методов. Врачи могут определить общее состояние здоровья сердца в реальном времени, предсказать надвигающийся сердечный приступ прежде, чем у пациента начнут проявляться какие-либо внешние физические признаки и вмешаться в случае необходимости для предоставления необходимой терапии. Само устройство может обеспечить разрядами электроэнергии в случае аритмии.

Эта электронная оболочка может быть установлена с помощью неинвазивной процедуры, путём установки катетера в вену под ребра, и затем открытия сетки, на подобие зонтика.

В настоящее время устройство подводится к внешней поверхности сердца. Однако, будут разработаны новые и более продвинутые версии, которые будут устанавливаться непосредственно внутрь сердца для лечения различных заболеваний, включая мерцательную аритмию, которая влияет на 2,5 миллиона взрослых в США и 4,5 миллионов человек, проживающих в ЕС, на которую приходится одна треть госпитализаций по причине нарушения сердечного ритма и является основным фактором риска развития инсульта.

Большой прогресс в осуществлении мониторинга, диагностики и лечения болезней сердца, благодаря этой и другим технологиям, появившимся в это время, оказывают стремительное влияние на снижение показателей смертности. В 2040-е годы число смертей в некоторых развитых странах от сердечно-сосудистых заболеваний достигнет незначительного уровня.

Больше…

Завершено строительство Международного линейного коллайдера

Данный проект является кульминацией более чем 25 лет объединенных международных усилий, с получением финансирования и участием в исследовании Европы, Азии, Северной и Южной Америк. Более 300 университетов и лабораторий приняли участие в проекте. Он возник как серия из трех отдельных предложений: Следующий линейных коллайдер (NLC), Глобальный линейный коллайдер (GLC) и Тераэлектронвольтный энергетический полупроводниковый линейный ускоритель (TESLA) — все они были объединены в один проект, Международный линейный коллайдер (ILC).

Расположенный в Европе, МЛК является последователем Большого адронного коллайдера (LHC), построенным на основе работ, уже произведенных данным аппаратом. Несмотря на то, что столкновения в нем не такие мощные, он производит намного более точные измерения. Он также излучает меньшее количество электромагнитной радиации

МЛК состоит из двух противоположно размещенных линейных ускорителей, общей протяженность 31 километр, сталкивающими частицы и античастицы друг с другом на скорости, приближающейся к скорости света. Устройство включает не только линейные ускорители, но и два кольца окружностью 6,7 километра. На данный момент уровень мощь столкновения — 500 миллиардов электрон-вольт (ГэВ), но скоро поднимется до триллиона электрон-вольт (ТэВ).

Высокая точность и точные записи, обеспечиваемые МЛК, помогают раскрыть некоторые наиболее глубокие тайны вселенной. Некоторые эксперименты касаются многомерной физики и суперсимметричных частиц, в то время как другие помогают исследовать темную материю.

Первоначально планировалось завершить строительство в 2019 году, но из-за значительных задержек; из-за финансовых, технических вопросов, а также международных соглашений, коллайдер был готов лишь в 2026 году.

Больше…

Модернизация большого адронного коллайдера до HL-LHC

«БАК на высокой светимости» (англ. High-Luminosity LHC) – это название улучшения для большого адронного коллайдера (LHC) на более высокую светимость. Коллайдер ускоряет заряженные частицы на встречных пучках, предназначен для разгона протонов и тяжёлых ионов (ионов свинца) и изучения продуктов их соударений. Новая конструкция в итоге повышает светимость устройства в 10 раз, увеличивая шансы увидеть редкие процессы и улучшить статистически предельные измерения.

Светимость – это способ измерения производительности ускорителя. В данном случае это параметр коллайдера, характеризующий интенсивность столкновения частиц двух встречных пучков. Чем выше светимость, тем больше данных, которые могут быть собраны во время эксперимента. HL-LHC может выполнить детальные исследования новых частиц, таких как бозон Хиггса. Он позволяет вести наблюдение за редкими процессами, которые были недоступны на предыдущих уровнях чувствительности. Теперь БАК испускает более 15 миллионов бозонов Хиггса каждый год, по сравнению с 1,2 млн., произведенных в 2011-2012 годах.

Усовершенствование до HL-LHC зависит от нескольких технологических инноваций, которые являются чрезвычайно сложными для исследователей – установке сверхпроводящих крабовых резонаторов, разворачивающих сгустки для лобового столкновения. Для увеличения угла пересечения, и усиления линз финального фокуса стали использовать магнитные элементы не с традиционным ниобий-титановым, а со станнидом триниобия Nb3Sn и высокотемпературным сверхпроводящим кабелем и полем до 16 Тесл. Также, для того чтобы обработать возросшее число событий потребовалась значительная модернизация всех детекторов, установленных на кольце.

Вместе эти обновления помогают развивать и усовершенствовать знания, полученные благодаря обнаружению бозона Хиггса и предлагают по-новому взглянуть на так называемую «новую физику», более фундаментальную и полную теорию, нежели стандартная модель.

Больше…

Китай строит крупнейший в мире ускоритель частиц

После успеха большого адронного коллайдера (БАК) в Европе, китайцы решили построить свой собственный большой ускоритель частиц. Исследователи из Института Физики Высоких Энергий в Пекине объявили о планах по строительству установки длиной в 52 км, что в два раза больше окружности БАКа. Это позволит изучить бозон Хиггса более подробно, по-новому взглянуть на фундаментальную структуру материи и подтвердить существование нескольких видов бозона Хиггса. Строительство было начато в 2019 году, а завершено в 2028 году. Результаты исследований подхлестнут учёных к постройке ещё большей установки в 2035 году.

Больше…

Супербыстрый анализ места преступления

Благодаря использованию множества современных технологий, анализ места преступления и криминалистика в целом чрезвычайно усложнились и ускорились. Исследования, которые занимали часы, дни или недели в предыдущие десятилетия, теперь могут быть выполнены в считанные секунды.

Портативное оборудование превратило среднего агента ФБР в ходячую лабораторию. Расширенная реальность (сочетание реальной и виртуальной реальностей) и мощный искусственный интеллект в сочетании со сверхбыстрой широкополосной связью и облачными сетями позволяют анализировать место преступления беспрецедентно новыми способами. Важные детали могут быть выделены из окружения, просто посмотрев вокруг. Они могут включать в себя биологические доказательства, такие как кровь, волосы и отпечатки пальцев, следы, следы шин, и даже частицы в воздухе. Массивные онлайновые базы данных доступны в полевых условиях для анализа находок. Распознавание лиц в сочетании с доступом к базам данных о судимостях позволяет создать полный профиль подозреваемого прямо в поле зрения офицера, использую расширенную реальность. Новые программы искусственного интеллекта позволяют определить любое подозрительное поведение или распознать знакомые лица.

В частности, крупные прорывы произошли в области сканирования ДНК. Скорость секвенирования генома выросла столь быстро, что эквивалент всего проекта генома человека может быть выполнен почти мгновенно, с помощью специальных сенсорных перчаток. Помимо ДНК человека, растительные и животные ДНК миллионов различных видов могут быть также идентифицированы. Новые алгоритмы созданы для анализа огромного количества геномных данных и идентификации конкретных геномов.

Почти мгновенное секвенирование геномов с использованием промышленного размера установок уже начало появляться во второй половине 2010-х годов. Тем не менее, оставались проблемы точности (машины все еще были подвержены ошибкам) и портативности. Последующие поколения нанотехнологий постепенно снизили стоимость, время и размер необходимого оборудования. К 2030 году секвенирование стало дешевым и проводится с очень высокой точностью, портативно и с использованием огромных онлайновых баз данных для точного анализа информации о потерпевших и подозреваемых. При анализе места преступления, стало возможным даже идентифицировать лицо, используя только образцы ДНК.

Технологии опреснения воды распространяются быстрыми темпами

Сочетание все более частых и сильных засух, старения инфраструктуры и истощения подземных водоносных хранилищ представляет в настоящее время угрозу для миллионов людей во всем мире. Продолжающийся рост населения только усугубляет этот процесс, глобальные запасы пресной воды находятся на пределе. Это приводит к быстрому распространению технологии опреснения воды.

Идея удаления соли из соленой воды была описана ещё в 320 г. до нашей эры. В конце 1700-х опреснение было применено военным флотом США, используя солнечные дистилляторы, встроенные в судовые печи. Однако только в 20-м веке опреснение стало применяться в промышленных масштабах с использованием многоступенчатой дистилляции и обратноосмотических мембран. Для этого может использоваться вторичное тепло, возникающее при сжигании ископаемого топлива или атомные электростанции, но даже в этом случае опреснение остается непомерно дорогим, неэффективным и очень энергоемким.

К началу 21-го века мировой спрос на ресурсы рос в геометрической прогрессии. По оценкам ООН, к 2030 г. человечеству потребуется на 30% больше пресной воды, чем было необходимо в 2012. Исторически сложившиеся темпы роста эффективности опреснения больше не в состоянии идти в ногу с быстро увеличивающимся населением, что также усугубляется последствиями изменения климата.

Новые методы опреснения рассматривались в качестве возможного решения этого кризиса; ряд прорывных методов возник в 2000-х и 2010-х годах. Одним из таких методов, особенно полезным в засушливых регионах, стало использование концентрированных фотоэлектрических (КФЭ) элементов для гибридного производства электричества и воды. В прошлом, использование этих систем затруднялось высокими температурами, что делало эти элементы неэффективными. Эта проблема была преодолена с помощью заполненных водой микроканалов, обеспечивающих охлаждение элементов. Помимо увеличения эффективности самих элементов, горячие сточные воды могут быть повторно использованы для опреснения. Этот комбинированный процесс позволяет снизить стоимость и расход энергии, что делает его широкомасштабное применение более целесообразным.

Эта, а также другие инновационные технологии благодаря огромным инвестициям привели к существенному росту опреснения по всему миру. Эта тенденция была особенно заметна на Ближнем Востоке и в других экваториальных районах, где имеется наибольшая концентрация солнечной энергии и самый быстрорастущий спрос на воду.

На графике по вертикали: мировые опреснительные мощности, км3/год; по горизонтали – год
Тем не менее, этот экспоненциальный прогресс оказался незначительным по сравнению с огромным объёмом воды, необходимым для постоянно расширяющейся глобальной экономики, включающей теперь растущий средний класс в Китае и Индии. Каждый год мировое население увеличивается на 80 миллионов человек — что эквивалентно всему населению Германии. К 2017му году в Йемене возникла чрезвычайная ситуация в связи с практически полным истощением запасов подземных вод в столице. Серьезный уровень региональной нестабильности возникает на Ближнем Востоке, Северной Африке и Южной Азии, поскольку водные ресурсы стали оказывать большее влияние и  стали использоваться в качестве шантажа и политических спекуляций.
На фоне этих волнений был достигнут еще больший прогресс в области опреснения. Было признано, что текущие тенденции прироста опреснительных мощностей, хотя и впечатляющие по сравнению с предыдущими десятилетиями, являются недостаточными для удовлетворения мирового спроса. Таким образом, встаёт вопрос о необходимости масштабного фундаментального прорыва в этой области.
На графике по вертикали: мировое потребление воды (км3/год); легенда сверху: мировое производство пресной воды, опреснение (текущий тренд), прирост объема опреснения, необходимый для удовлетворения будущих потребностей; по горизонтали – год

Групповая робототехника достигает нано масштабов

Групповая робототехника является сравнительно новой областью, возникнув в первое десятилетие 2000-х годов. Она основана на идее одновременного контроля очень большого количества роботов в целях выполнения задач, которых индивидуальная машина не может добиться в одиночку. Это достигается при помощи комбинации миниатюризации компьютеров и опорно-двигательных систем, ультра-легких материалов, компактных датчиков и беспроводных технологий.

Ранние поколения этих роботов были сравнительно большими и громоздкими, не имеющими необходимой вычислительной мощности, чтобы участвовать в каких-либо сложных операциях. Хотя они способны летать, они были в основном экспериментальными, размером с птицу, опирались на тяжелые компоненты с быстро разряжающимися аккумуляторами. Технологии значительно улучшились в конце 2010-х годов, вплотную подойдя к новой эре дронов-шпионов размером с насекомых. Они могут имитировать структуру тела, движение и поведение реальных насекомых.

В течение следующих двух десятилетий дальнейшие улучшения в области ИИ и удаленного управления позволили машинам работать в более крупных и продуктивных сетях, и в то же время, электронные компоненты за десятилетие уменьшились в размере на два порядка.

Одно из наиболее важных применений в течение этого времени функционирования – это использование групповых микро роботов в качестве искусственных опылителей растений в ответ на катастрофическое сокращение популяции медоносных пчёл. Они могут также служить для выполнения других экологических функций, таких как мониторинг атмосферы, земли и воды, в том числе в городской местности, с беспрецедентной скоростью и детальностью. Эти устройства также полезны в поисково-спасательных операциях, помогая в сборе данных в реальном времени.

Жуткое применение можно наблюдать в военных столкновениях. К 2030 году военные роботы миниатюризированы и соответствовуют даже малейшим известным насекомым, размером менее 0,15 мм. К концу этого десятилетия некоторые модели настолько компактны, что невидимы невооруженным глазом. Они могут быть объединены в обширные стаи, насчитывающие триллионы «особей» и вместе напоминать облака газа. Это эффективная форма программируемой материи, состоящая из робота-«частицы», способной к полету. Высвобожденные из капсулы, которую может сбросить беспилотник, рой нанороботов может выполнять расширенную разведку, координировать кибер-атаки и вторгаться на базу противника – ликвидировать человека и даже вывезти из строя крупную военную технику. Подобно термитам они используют специализированные придатки-жвала, которыми могут уничтожить электронику, испортить оборонительное оборудование, оставляя врагов полностью уязвимыми. Даже подземные бункеры теперь не безопасны – рой растворит всё, кроме наиболее сильно укрепленной брони, и легко проникнет через трещины, отверстия, вентиляцию и т.п.

Помимо наступательных способностей, нанороботы могут нести оборонительную роль. Парящие на малой высоте, они могут служить прикрытием для продвижения наземных войск, действуя в качестве «живого щита» или «буферов» вражеских снарядов, немного напоминающих заградительные аэростаты Второй Мировой войны. Они могут также объединяться во временные структуры, как простые мосты, чтобы переправиться через реку, носилки для переноски пострадавших бойцов, веревки, лестницы и так далее.

Применение нанотехнологий в военных целях ускорилось в последние десятилетия, страны пытаются получить преимущество в ведении военных действий. Рой нанороботов стал последним и наиболее весомым шагом в этой гонке. ООН классифицирует их в качестве оружия массового уничтожения, приравнивая к ядерному, химическому и биологическому оружию. Подписаны международные договоры, ограничивающие их использование. Также введены механизмы безопасности для того, чтобы свести к минимуму их возможное применение и распространение. Например, самовоспроизводящиеся модели полностью под запретом, поскольку они могут истребить всю биосферу. Растут опасения возможной потенциальной террористической атаки, развития сценария конца света «Серая слизь».

Кадр из фильма «День, когда земля остановилась», 2008, 20th Century Fox Film Corporation

Больше…