Десять новых технических решений, способных изменить мир к лучшему. Простейшие идеи порождают революции. Когда молодой изобретатель Стив Джобе (Steve Jobs) задумал предоставить возможности компьютерной техники «людям, не имеющим опыта работы с компьютерами и не стремящимися приобрести его», он препроводил нас от сложной технологии мэйнфреймов и командных строк к легко постижимым преимуществам систем Macintosh и iPhone. Его идея помогла навсегда изменить наши взаимоотношения с технологиями.Ростки каких революций до времени скрыты в лабораториях? Мы нашли десять перспективных проектов и расскажем о том, что они собой представляют и как могут изменить мир: это в частности компьютеры, которые мыслят подобно мозгу; аккумуляторы, которые можно «заправлять», а не подзаряжать; и «хрустальный шар» информации (о последнем см. подробнее в главном материале номера). Считайте эту подборку признанием силы простых идей.
1. Вечный монитор сердечной деятельности
Ваш смартфон может в режиме реального времени контролировать жизненные показатели, оповещая о первых признаках нездоровья.
Большинство людей обращаются к врачу, когда почувствуют боль в груди или обнаружат подозрительную шишку, но часто симптомы проявляются слишком поздно. Для ранней диагностики необходимо постоянное наблюдение, и такую работу может выполнять сотовый телефон. Система непрерывного сканирования состояния здоровья — потока данных от мобильных устройств — может сократить время между появлением первых симптомов и установлением диагноза. Работники здравоохранения имели бы возможность выявлять и устранять проблемы раньше, чем они станут настолько серьезными, что эффективное лечение окажется слишком трудным и дорогим. Теоретически постоянно действующие системы мониторинга могут на 75% снизить расходы при лечении хронических заболеваний и продлить людям жизнь, предотвращая множество критических ситуаций.
Рынок мобильных устройств завален «приборами для лечения», и хотя многие из них приносят минимум пользы, есть несколько перспективных систем, предназначенных для контроля состояния здоровья больных с хроническими заболеваниями или выявления опасных симптомов. Карди-омонитор iPhone ECG компании AliveCor, одобрение которого Управлением контроля качества продуктов питания и лекарственных средств США (FDA) ожидается в начале 2012 г., имеет пластмассовый корпус с двумя электродами на тыльной стороне, контролирующими сердечный ритм, когда человек держит прибор двумя руками или прижимает к груди. Получаемые данные могут передаваться как самим пациентам и членам их семей, так и врачам, оповещая обо всех нарушениях сердечного ритма. «Устройство не только сигнализирует о проблеме, но и делает это, не требуя затрат, связанных с обычным ЭКГ-обследованием», — говорит о своем детище инженер-био-медик Дэвид Олбсрт (David Albert). Французская компания Witliings разрабатывает прибор для контроля артериального давления, также связанный с айфоном. Надев округлую белую манжету, пользователь не позднее чем через 30 секунд увидит на экране прибора показатели давления, и если они будут аномальными, то появится и соответствующее предупреждение. А прибор DiabetesManager компании WellDoc. одобренный FDA, предоставляет пациенту возможность вводить в свой телефон ряд данных, характеризующих в режиме реальном времени такие жизненные показатели, как количество потребленных углеводов, содержание глюкозы в крови, а также принятые препараты.
Программа анализирует данные и предлагает пациенту меры по снижению содержания сахара в крови до безопасного уровня (например, инъекцию инсулина или прием какой-то пищи). Опубликованные в сентябре результаты испытаний показали, что прибор DiabetesManager позволяет эффективно контролировать уровень глюкозы в крови.
Пока новые системы работают разрозненно, и многое еще предстоит усовершенствовать. Однако специалисты по беспроводному контролю жизненных показателей говорят, что они знаменуют собой начало эры. когда мобильные системы мониторинга здоровья будут работать совместно и слаженно, предоставляя пациентам и врачам полную картину состояния здоровья. «Технически вполне возможно создание такой системы, что вам будет достаточно нажать кнопку на своем телефоне и сказать: "Я хочу видеть свои жизненные показатели в реальном времени», и они будут вам представлены", — говорит директор Института трансляционных исследований им. Скриппса ЭрикТопол (Eric Topol).
Тормозит работу отставание в технологии изготовления датчиков. Традиционные глюкомстры требуют прокалывания кожи, а носить повсюду манжету для контроля артериального давления или наклеенные электроды мало кто захочет. Однако более удобные приборы непременно появятся. Японские ученые недавно создали имплантируемые люминесцирующие волокна дляконтроля содержания сахара в крови. Топол говорит, что в будущем системы датчиков на основе наночастиц, связанные со смартфонами, смогут более надежно контролировать жизненные показатели и, что еще заманчивее, раньше выявлять такие индикаторы нарушения здоровья, как антитела. Например, датчики, способные обнаруживать так называемые маркеры опухолей, смогут немедленно подавать на мобильные устройства сигналы тревоги, позволяя пациентам начать превентивную химиотерапию до того, как раковые клетки смогут «окопаться». При этом чем проще будут мобильные мониторы здоровья, тем охотнее люди будут пользоваться ими. Опрос 2010 г. показал, что вносить ежемесячную абонентскую плату за устройство, передающее врачам сведения об артериальном давлении, уровне глюкозы в крови и сердечном ритме, готовы 40% американцев.
Вице-президент организации Wireless-Life Sciences Alliance Поль Соннье (Paul Sonnier) указывает, что раннее распознавание угроз здоровью станет эффективнее, если сочетать мобильный мониторинг здоровья с генетическим анализом. Если у человека обнаружится ген предрасположенности, например, к диабету или раку, то незаметный датчик, способный передавать на телефон предупреждения о любых необычных проявлениях, будет весьма кстати, считает Топол. В случае если мобильные системы мониторинга здоровья оправдают ожидания, они станут бессменными часовыми, обеспечивающими защиту людей еще до того, как те узнают об угрозе их здоровью.
2.Микросхема, моделирующая мозг
Нейронные компьютеры смогут решать задачи, непосильные для обычных компьютеров.
Дхармендра Модха (Dharmendra S. Modha) — возможно, единственный в мире конструктор микросхем, в команде которого есть психиатр. В его задачи не входит наблюдение за психическим здоровьем коллег. Он сотрудничает с консорциумом университетов и множеством лабораторий корпорации IBM. работающими над созданием микросхем, моделирующих нейроны.
Ученые называют предмет своих исследований когнитивным компьютингом и в августе представили первые результаты — две микросхемы, содержащие по 256 нейронов. Пока их способности невелики,: они превосходят человека в электронных играх или могут путешествовать по простым лабиринтам. Однако конечная цель группы грандиозна: вложить в маленький кристалл кремния всю силу человеческого мозга. Управление передовых оборонных исследований США (DARPA) финансирует SyNAPSE. программу по созданию микропроцессора, содержащего 10 млрд нейронов и 100 трлн синапсов, что примерно эквивалентно одному полушарию мозга человека. Ожидается, что объем системы не превысит 2 тыс. куб. см, а потребление электроэнергии составит около 1 кВт.
Тем не менее Модха настаивает, что он стремится создать не мозг, а лишь альтернативу архитектуре, общей почти для всех компьютеров со времени их изобретения. В обычных микросхемах команды и данные передаются по одному узкому каналу, что ограничивает быстродействие. В его системе каждый искусственный нейрон будет иметь собственный канал, что с самого начала даст широкие возможности параллельной обработки данных. «Мы работаем над универсальной основой, технологической платформой, которая найдет применение во многих областях», — говорит он.
В случае успеха микросхемы Дхармендры Модхи станут кульминацией 30 лет усилий по созданию моделей нейронных сетей, считает невролог Дон Эдварде (Don Edwards) из Университета штата Джорджия. Даже на конкурентов IBM работа произвела впечатление: «Нейроморф-ный процессинг открывает возможности решения задач, трудных (некоторые могут даже сказать, непосильных) для традиционных компьютеров», — считает вице-президент компании Cray Барри Волдинг (Barry Bolding).
Модха подчеркивает, что архитектура когнитивного компьютинга не заменит обычных компьютеров, а дополнит их, выполняя предварительную обработку информации из перегруженного шумами реального мира и преобразуя ее в символы, с которыми последние смогут справляться без затруднений. Создаваемые им микросхемы будут с легкостью распознавать образы, например, выделяя лицо в толпе, и передавать сведения обычному компьютеру.
Это навевает ассоциации в духе восстания машин, однако, к счастью, такие микросхемы будут слабы в вычислениях. «Точно так же, как существующие вычислительные машины не способны эффективно исполнять роль мозга, подобные мозгу сети не могут быстро выполнять операции сложения и вычитания, которые эффективно выполняют обычные компьютеры. Они не заменят друг друга», — говорит Модха.
3. Бумажник в вашей коже
Забудьте о системах платежей через сотовый телефон просто махните рукой, чтобы заплатить.
Когда ученики школ округа Пиннеллас во Флориде в школьной столовой подходят к кассе, они делают движение рукой и отправляются к столу, чтобы пообедать с друзьями. В кассовых аппаратах школ этого округа установлены датчики размером 6 см. которые идентифицируют каждого ученика по рисунку вен на его ладони. Чтобы купить еду, не нужны ни карточки, ни наличные деньги. Единственный бумажник, который нужен ученику, это его рука.
Система Palm Secure компании Fujitsu позволяет практически свести на нет очередь: время ожидания сократилось вдвое, что немаловажно в школе, где на обед отводится всего 30 мин. Та же система используется в организации Carolinas Health Care System, управляющей больше, чем 30 больницами, для идентификации 1,8 млн пациентов независимо от того, находятся они в сознании или нет, и в японском банке Bank of Tokyo-Mitsubishi UFJ для авторизации транзакций.
Идентифицировать личность машине позволяют многие физические характеристики человека, но лишь некоторые из них одновременно уникальны и доступны для наблюдения. Лица и отпечатки пальцев нетрудно изменить. Узор радужной оболочки уникален в своем роде, но для идентификации по нему человек должен несколько секунд не мигая и не двигаясь смотреть в считывающее устройство, а это непросто. Трехмерная конфигурация вен на руках у разных людей варьирует и легко считывается с помощью безвредного инфракрасного излучения. Так почему же мы до сих пор пользуемся карточками для платежей?
Единственная причина— медленное внедрение этой технологии банками и технологическими компаниями, утверждает специалист по безопасности Брюс Шнейер (Bruce Schneicr). «Кредитная карточка — всего лишь метка для базы данных, — говорит он. — Ее прямоугольная форма удобна, но не обязательна. И безопасность здесь ни при чем».
Стоит внедрить у себя такую систему какой-либо крупной розничной сети или правительственной организации, и у нес возникнет шанс стать повсеместной. Финансовая отрасль часто сталкивается с мошенничеством и ложными распознаваниями, и переход к биометрическим методам облегчит положение. Чтобы оплатить покупку, достаточно будет просто махнуть рукой.
4. Не зависеть от зависания
Людям приходится заботиться о том, как распорядиться своим временем. Почему бы компьютерам не последовать их примеру? Новые программы позволят им работать без задержек.
Смартфон Джима Холта (Jim Holt), инженера из компании Freescale Semiconductor, не так уж разумен. В нем есть приложение, которым Джим пользуется, когда ему нужно найти ресторан. Но когда поиск заканчивается, программа продолжает потреблять столько ресурсов и занимать так много памяти, что невозможно даже отправить текстовое сообщение.
Это иллюстрация к проблеме, общей для сегодняшних компьютерных систем: в них «правая рука не знает, что делает левая». Каждая программа захватывает столько ресурсов. сколько может, а операционная система слишком глупа, чтобы осознать, что приложение, с которым в данный момент работает пользователь, «выжимается». Эта беда свойственна не только смартфонам, но и персональным машинам и даже суперкомпьютерам. По мере того как все большее распространение приобретают многоядерные процессоры, проблема усугубляется. И если разные элементы компьютера не научатся взаимодействовать друг с другом, то будущее информатики не сможет быть достойным ее славного прошлого. Холт и его коллеги по исследовательскому консорциуму Project Angstrom, который возглавляет Массачусетский технологический институт (MIT), предлагают решение: компьютер с «самосознанием». Обычно аппаратной части. ПО и операционной системе (связующему звену между аппаратной частью и ПО) не так легко понять, что происходит в других частях системы, хотя они работают в одном и том же устройстве. Так, операционная система не знает, что в видео приложении возникли неполадки, даже если пользователь видит. что изображение дергается.
В 2010 г. команда MIT создала экспериментальную программу Application Heartbeats, которая контролирует работу разных приложений. Например, она может сообщить, что видеоплеер работает с частотой 15 кадров в секунду, а не с оптимальной частотой 30 кадров в секунду.
Идея состоит в том, чтобы создать операционные системы, способные выявлять неприемлемо медленную работу приложений и рассматривать возможные решения этой проблемы. Если заряд аккумулятора достаточен, то она, возможно, предоставит программе больше вычислительных ресурсов, в противном же случае может предложить использовать более эффективную систему команд, пусть и более низкого уровня. Операционная система будет способна к самообучению, так что в следующий раз она сможет устранить проблему быстрее. Компьютер, обладающий самосознанием, сможет справляться с такими сложными заданиями, как «исполнение трех программ одновременно с предоставлением приоритета самой востребованной из них» или «экономия максимума энергии при условии, что это не помешает мне смотреть фильм».
Следующим этапом должно стать создание следящей операционной системы, способной перераспределять ресурсы, выделяемые каждому отдельному приложению. Так, если видеоприложение работает медленно, то она может предоставить ему больше ресурсов, а если оно работает с частотой 40 кадров в секунду, то она передает часть ресурсов другим приложениям, поскольку при частоте 40 кадров в секунду глаз человека воспринимает изображение не лучше, чем при частоте 30 кадров в секунду. «Мы уже можем экономить до 40% мощности по сравнению со стандартными сегодняшними практиками», — сказал аспирант MIT Генри Хоффман (Henry Hoffmann), работающий над программой.
Системы с самосознанием не только повысят эффективность работы компьютеров, но и могут оказаться просто необходимыми для более сложных вычислительных машин будущего, отмечет руководитель проекта Анант Агарвал (Anant Agarwal). В прошлом десятилетии инженеры добавляли в компьютеры все большее число вычислительных элементов, называемых ядрами. Сегодняшние компьютеры содержат от двух до четырех ядер, а в компьютерах будущего число ядер может составлять от нескольких десятков до нескольких тысяч. Это сделает практически невозможным распределение вычислительных задач между ядрами «вручную». Система с самосознанием сама будет автоматически регулировать использование ядер приложениями.
Способность управлять таким большим числом ядер станет переходом на совершенно новый уровень быстродействия и откроет дорогу к созданию все более быстрых машин. «Если мы имеем очень большое число ядер, то нам необходима какая-то система, обладающая самосознанием, — говорит профессор электротехники Джон Вилласснор (John Villascnor) из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, не участвующий в консорциуме Project Angstrom. — Я думаю, что в ближайшие года два мы увидим некоторые элементы такой системы».
5. Валюта без границ
Первая в мире цифровая валюта позволяет обходиться без посредников и обеспечивает анонимность пользователей.
Вообразите, что вы зашли в кафе, заказали сэндвич и дали кассиру несколько банкнот, а тот говорит вам: «Прекрасно, но мне нужно знать ваше имя, адрес выставления счета, номер телефона, девичью фамилию вашей матери и номер банковского счета». Большинство людей воспротивятся подобным требованиям, но мы вынуждены выполнять их, когда оплачиваем товары и услуги через Интернет.
В Интернете нет валюты, столь же удобной и анонимной, как банкноты. Для осуществления транзакций нам приходится пользоваться такими финансовыми суррогатами, как компании — эмитенты кредитных карточек (которые не только взимают комиссию с наших платежей. но и требуют предоставления личных данных). Появление цифровой валюты Bitcoin, столь же ликвидной и анонимной, как наличные деньги, может изменить положение. Это «все равно, что засунуть банкноту в компьютер и переслать се через Интернет», — говорит один из лидеров сети Bitcoin Гэвин Андрессн (Gavin Andrcscn).
Bitcoin— это строка кодовых битов, которую можно передавать по равноранговой сети. Если большинство битовых строк можно копировать неограниченное число раз (такая возможность копирования сделала бы любую валюту бесполезной), то строку Bitcoin можно использовать только один раз. От потенциальных воров валюту Bitcoin защищают эффективные криптографические меры, а рав-норанговая сеть позволяет обходиться без таких «голкиперов», как Visa или PayPal. Система предоставляет полномочия пользователям, а не финансовым посредникам.
В системе используются концепции хорошо известных криптографических программ. Программа присваивает каждому пользователю два уникальных кода: персональный ключ, спрятанный в его компьютере, и открытый адрес, который могут видеть все. Ключ и адрес математически связаны между собой, но определить ключ по адресу практически невозможно. Если у меня есть 50 единиц валюты Bitcoin (биткойнов), и я хочу передать их другу, программа связывает мой ключ с адресом моего друга. Другие люди в сети используют соотношение между моим открытым адресом и персональным ключом, чтобы убедиться, что я платеже способен, и пересылают 50 биткойнов по указанному адресу с помощью алгоритма, уничтожающего код. Компьютер, который первым завершает вычисления, время от времени вознаграждается несколькими биткойнами, что привлекает пользователей, которые и поддерживают существование системы.
Первой известной покупкой набиткойны было приобретение пиццы за 10 тыс. биткойнов вначале 2010 г. С тех пор курс электронной валюты по отношению к доллару менялся в широких пределах подобно мелодии в джазовом соло. Из-за такой неустойчивости лишь редкие интернет-торговцы соглашаются принимать оплату в биткойнах. Bitcoin-сообщество пока мало, но весьма оптимистично — так же как сообщество первых приверженцев Интернета.
6. Микробы-горнодобытчики
Бактерии извлекают металлы и очищают окружающую среду.
Основы литейного дела не претерпели особых изменений с бронзового века: для получения металла из руды необходимы тепло и горючий материал, например древесный уголь. Но эта технология требует больших затрат энергии, что делает ее слишком дорогостоящей для переработки руд с низким содержанием металла.
Интерес горно добытчиков все больше привлекают бактерии, способные извлекать металлы из бедных руд при обычной температуре и без особых дополнительных затрат. С их помощью можно получать до 85% металла из породы, где его концентрация не превышает 1%. Для этого требуется лишь засеять груды отходов горнодобывающей промышленности микробами и оросить их разбавленной кислотой. В толще породы бактерии Acidithiohacillas или Leptospirillum окисляют железо и серу, получая необходимую им энергию и вырабатывая химически активное трехвалентное железо и серную кислоту, которые разрушают породу и высвобождают чистый металл.
Биотехнологии используются также для очистки содержащих кислоты сточных вод, которые скапливаются
в заброшенных шахтах, и извлечения из них следовых количеств металлов. Такие бактерии, как Desulfovibrio и Desulfotomacidum, нейтрализуют кислоты с образованием сульфидов, которые соединяются с медью, никелем и другими металлами, извлекая их из раствора.
С каждым годом богатых высококачественных руд на Земле становится все меньше, поэтому за последние несколько лет разработка месторождений с применением биотехнологий получила бурное развитие. По оценкам Корал Брайсрли (Coral Breirlcy), консультанта в области горного дела, около 20% меди в мире сегодня добываются с помощью таких методов, и с середины 1990-х гг. эта цифра удвоились. «Теперь отходы горнодобывающих предприятий мы называем рудой», — говорит Брайсрли.
Дэвид Барри Джонсон (David Barric Johnson) из Ван-горского университета в Уэльсе, который занимается исследованием способов биологической обработки кислотных шахтных водоотливов, считает, что метод биологической очистки при разработке месторождений окупает ссбя в течение 20 лет. «Поскольку мир стремится уйти от полной зависимости отутлеродсодсржащих источников энергии, нам нужно искать менее энергозатратные и более экологичные технологии. — говорит Джонсон. — Это длительный процесс, но без него не обойтись».
7. Сельскохозяйственные культуры, не требующие новой посадки
Культурные растения, произрастающие круглый год, способны не только приносить богатые урожаи, но и противостоять изменению климата и эрозии почв.
До появления сельского хозяйства большая часть нашей планеты была покрыта растениями, которые росли год за годом. Эти многолетники постепенно заменялись продовольственными культурами, которые надо было высаживать каждый год. Сегодня ученые обдумывают обратный ход, создавая многолетние формы таких привычных сельскохозяйственных культур. как кукуруза и пшеница. Если они добьются успеха, то урожаи в отдельных самых безнадежно бедных местах мира резко вырастут.
Как сообщает агроном-эколог Джерри Гловср (Jerry Glover), специалисты по сельскому хозяйству уже десятилетия вынашивают идею замены однолетних растений многолетними аналогами, но необходимые генетические технологии появились только в последние 10-15 лет. По сравнению с культурами, которые надо вновь сажать или сеять каждый год, многолетники имеют ряд преимуществ: их глубокие корни предотвращают эрозию и помогают почве удержать такие полезные элементы, как фосфор: им требуется меньше удобрений и воды. В то время как традиционно выращиваемые монокультуры служат источником поступления углерода в атмосферу, используемые под многолетники угодья не требуют распашки, превращающей их в сточную яму для углерода.
В Малави фермеры уже получают более высокие урожаи благодаря выращиванию в междурядьях кукурузы, главного местного продукта, многолетнего голубиного гороха. Это растение — важный источник белка в пропитании фермеров, к тому же бобовые повышают способность почвы удерживать влагу и увеличивают в два раза содержание углерода и азота, не снижая урожайности основных культур на данном участке земли.
Надо отмстить, что перевод многолетних растений наследующий уровень — возведение их в ранг традиционно возделываемых культур, — потребует значительных усилий от ученых. Эд Ваклср (Ed Buckler), растениевод, генетик из Корнеллского университета, планирующий выведение многолетней кукурузы, полагает, что на определение генов, отвечающих за основные характеристики, уйдет пять лет, а на выведение жизнестойкого сорта — еще десять. Гловср считает, что даже при использовании передовых технологий для получения многолетнего маиса понадобится 20 лет, считая с сегодняшнего дня.
Ученые быстрее добиваются результатов в разработке многолетних растений, применяя продвинутые технологии генотипирования. Сегодня они могут быстро распознавать геномы растений с нужными признаками в поисках связей между генами и заданными чертами. Когда первая генерация растений даст семена, исследователи выделяют из тысячи горстку молодых растений, способных сохранить необходимые черты, а не ждут годами, когда те вырастут.
Распространение многолетних растений может оказать большое влияние на эмиссию углерода. Разгадка кроется в их корневой системе, которая способна улавливать в каждом кубометре верхнего слоя почвы углерод в количестве, равном 1% от массы данного грунта. Дуглас Келл (Douglas Kcll), председатель Научно-исследовательского совета Всликобритани по биотехнологии и биологическим наукам, подсчитал, что замена многолетниками 2% привычных культур могла бы приостановить рост концентрации двуокиси углерода в атмосфере. Возделывание же их на всех отведенных под пашню угодьях способствовало бы снижению концентрации парниковых газов в атмосфере до до-индустриального уровня.
8. Жидкое топливо для электромобилей
Новый тип аккумуляторов может заменить ископаемые виды топлива нанотехнологической «сырой нефтью».
Совершенные аккумуляторы — ключ к созданию электромобилей, способных пробегать без подзарядки сотни километров, но прогресс в этой области идет медленно. Однако возможно, что новая начинка позволит увеличить емкость современных аккумуляторов вдвое.
Идея пришла в голову профессору Массачусетсского технологического института (MIT) Чан Йетмину (Yct-Ming Chiang) во время творческого отпуска в компании А123 Systems, одним из основателей которой он выступает. Что если существует возможность сочетать достоинства так называемых проточных аккумуляторов. в которых через ячейку прокачивается жидкий электролит, с плотностью энергии, свойственной лучшим сегодняшним литий-ионным аккумуляторам, уже широко применяемым в потребительской электронной аппаратуре?
Проточные аккумуляторы, в которых энергия запасается в баках с жидким электролитом, характеризуются малой плотностью накапливаемой энергии, т.е. небольшим количеством энергии, которое можно запасти в единице объема. Их единственное достоинство — легкость масштабирования. Чтобы повысить емкость, достаточно увеличить объем бака.
Чан с коллегами сконструировали действующий прототип аккумулятора с такой же плотностью запасаемой энергии, как в традиционных литий-ионных аккумуляторах, но с хранением энергии в практически жидкой среде, как в проточных устройствах. Среда, которую Чан назвал «кембриджской нефтью», представляет собой черную суспензию наночастиц и зерен, запасающих энергию металлов.
Если бы можно было наблюдать это вещество под электронным микроскопом, то вы увидели бы взвешенные в жидкости «пылинки» из тех же материалов, из которых делаются аноды и катоды большинства литий-ионных аккумуляторов, например оксида кобальта и лития (анод) и графита (катод). Между этими сравнительно крупными частицами располагаются наночастицы углерода. которые и составляют изюминку новинки. Связанные друг с другом в структуру, подобную губке, они образуют «жидкие провода», соединяющие между собой более крупные частицы, в которых запасены ионы и электроны. В итоге получается жидкость, которая течет даже тогда, когда ее наномасштабные компоненты поддерживают пути перемещения электронов между зернами среды, хранящей энергию. «Это поистине уникальный электрический композит» — говорит Чан.
Текучесть рабочей среды аккумулятора открывает интересные возможности. Предполагается, например, что на станциях обслуживания электромобили с такими аккумуляторами смогут просто заправляться «кембриджской нефтью», а не подзаряжаться. Сотрудник Чана по проекту Крсйг Картер (W. Craig Carter) из MIT полагает, что пользователи смогут просто заменять бак с электролитом, а не подключаться к зарядной системе.
Это не первое коммерческое приложение, развиваемое Чаном. Вместе с Картером и предпринимателем Троупом Уайлдером (Throop Wilder) он уже основал новую компанию 24М Technologies для вывода работ своей группы на рынок. Чан и Картер избегают говорить о том, что их компания выпустит в первую очередь, но подчеркивают, что их батареи подходят для запасания энергии в электросетях. Даже сравнительно небольшие емкости смогут существенно повлиять на характеристики таких непостоянных источников энергии, как Солнце и ветер, считает Чан. Батареи этого типа с емкостями, соответствующими потребностям коммунальных сетей, будут иметь по крайней мере в десять раз более высокую плотность запасаемой энергии, чем обычные батареи проточных аккумуляторов, что сделает их более компактными и, возможно, более дешевыми.
Однако до внедрения в практику кембриджской нефти предстоит пройти еще долгий путь. «Скептики могут сказать, что трудности, которые придется преодолеть новой системе, значительно превышают ожидаемые достоинства», — сказал руководитель крупной университетской программы по запасанию энергии, пожелавший остаться анонимным, чтобы не обижать коллег. Оборудование, необходимое для прокачивания жидкости через ячейки батареи, добавляет системе нежелательную массу. «Вес и объем насосов, баллонов и труб, необходимые дополнительные вес и объем электролита и углеродных добавок могут сделать новую систему более тяжелой, чем существующие». Кроме того, новые батареи могут оказаться менее стабильными, чем обычные литий-ионные.
Фундаментальная проблема состоит в том, что зарядка новых батарей, возможно, будет занимать в два-три раза больше времени, чем обычных, отмечает Картер. Это создаст проблемы для автомобилей, которым необходима быстрая передача энергии. Одним из решений может быть использование сочетания таких батарей с обычными или с конденсаторами большой емкости для быстрой передачи энергии при торможениях и разгонах.
Система с запасанием энергии в суспензии должна быть совместимой почти с любой химией аккумуляторов. что ведет к инновациям в этой области, отмечает инженер-материал овед Юрий Гогоци (Yury Gogotsi) из Университета Дрсксела. «Она открывает новые возможности в конструировании аккумуляторов», — считает он.
9. Наномасштабные убийцы бактерий
Крошечные «сверла» могут стать оружием против бактерий, устойчивых к антибиотикам.
По данным Всемирной организации здравоохранения, в Европе распространяется туберкулез, устойчивый к лекарствам. Вариантов лечения немного— антибиотики бессильны против этих сильно эволюционировавших штаммов, так что примерно половине людей, подцепивших заразу, предстоит погибнуть. Примерно так же дело обстоит и в борьбе с другими невосприимчивыми к лекарствам болезнями, в частности вызываемыми стафилококками. По сообщениям, в США от них ежегодно умирает 19 тыс. человек.
Луч надежды забрезжил, когда обратили внимание на форму наноскопичсских свсрл. Ученые из IBM Research-Almaden создали наночастицу, способную полностью разрушать бактериальные клетки, протыкая их мембраны. Оболочки наночастиц имеют положительный заряд, благодаря чему связываются с отрицательно заряженными мембранами бактерий. «Частица приближается, прикрепляется, выворачивается наизнанку и сверлит мембрану», — говорит материаловед Джим Хедрик из IBM. работающий над этим проектом в сотрудничестве с Институтом биотехники и нанотсхнологии Сингапура. При повреждении мембраны бактерия «сдувается» как проткнутый воздушный шарик. Для человека эти частицы безвредны: они не связываются с эритроцитами, поскольку мембраны клеток человека, в отличие от мембран бактерий, не имеют отрицательного заряда. Наноструктуры, выполнившие свою работу, уничтожаются ферментами и выводятся из организма.
Хедрик надеется, что в ближайшие годы будут проведены клинические испытания. Если подход оправдает себя, то врачи получат возможность вводить в кожу пациентов гели или лосьоны, содержащие наночастицы. борющиеся со стафилококковой инфекцией. Можно будет также вводить их в кровоток, чтобы сдержать размножение устойчивых к лекарствам организмов, например стрептококков, вызывающих сепсис и гибель человека. Но даже если такое лечение окажется успешным, врачам придется преодолеть предубеждение против использования нанотсх-нических свсрл в кровотоке. Да и самые опасные на планете бактерии легко не сдадутся.