Dziś zapraszamy naszych Czytelników do spojrzenia w przyszłość. Opowiemy o eksperymentach naukowych, które mogą zmienić nasze życie na lepsze w nadchodzących dziesięcioleciach. Już wkrótce będziemy mogli cieszyć się owocami tych badań naukowych.
Wszczepianie chipów w ludzkie ciało
To urządzenie zostało wynalezione w Centrum Badawczym NASA w Kalifornii. Jest to nanorurka węglowa, którą można wszczepić pod skórę.
Wyobraź sobie „inteligentną” mikrokapsułkę wszytą w ludzkie ciało, która we właściwym czasie i we właściwych dawkach wstrzykuje do krwi niezbędny dla człowieka lek. Taka adaptacja może uratować setki tysięcy chorych, którzy muszą stale brać leki. Na przykład, jeśli komórki wysepek Langerhansa z trzustki, które normalnie wytwarzają insulinę, zostaną umieszczone w nanorurkach, można je zastosować w leczeniu cukrzycy.
Jedna z modyfikacji takiego urządzenia ma zostać wszczepiona astronautom. Chodzi o to, że nanorurki zawierają materiał biologiczny (żywe komórki), który reaguje np. Na wzrost promieniowania z rozbłysków słonecznych i uwalnia lek, który chroni ciało astronauty. Komórki w nanorurkach można poddać inżynierii genetycznej, aby wytwarzać wymagane substancje w odpowiedzi na zmiany środowiskowe.
Ochroną człowieka przed promieniowaniem może być np. Białko G-CSF - substancja, która jest już stosowana w radioterapii chorych na raka. Nanorurki węglowe muszą mieć pory, które umożliwiają komórkom wzrost i podział oraz uwalnianie leków do gospodarza. Kapsułki są obecnie testowane na zwierzętach. Ale w niedalekiej przyszłości naukowcy przejdą do eksperymentów na ochotnikach.
Film promocyjny:
Maszyny, które pochłaniają dwutlenek węgla z atmosfery
Nadchodzące zmiany klimatyczne na naszej planecie są od dawna dyskutowane na wszystkich poziomach społeczeństwa. Główną przyczyną globalnego ocieplenia jest dwutlenek węgla, który jest wytwarzany w ogromnych ilościach przez zakłady przemysłowe i systemy transportowe na całym świecie. Kanadyjska firma Carbon Engineering ma nadzieję, że uda się coś zmienić poprzez chemiczną ekstrakcję tego gazu z atmosfery. Urządzenie, wynalezione przez specjalistów firmy, może zasysać powietrze i przepuszczać je przez roztwór wodorotlenku. W wyniku tego dwutlenek węgla zamienia się w stały osad węgla - dwutlenek węgla. I może już być używany do celów przemysłowych lub po prostu zakopany w ziemi.
Ta maszyna została przetestowana w zeszłym roku i pracowała przez 500 godzin, skutecznie usuwając dwutlenek węgla z powietrza. Następny eksperyment potrwa kilka tysięcy godzin. Inżynierów interesuje, jak urządzenie będzie reagować na różne warunki pogodowe.
Firma ma nadzieję opracować komercyjny pilotaż w 2013 roku. Każdy z modułów urządzenia będzie przypominał gigantyczną wieżę chłodniczą elektrowni jądrowej i będzie w stanie wydobywać z atmosfery 1 milion ton dwutlenku węgla rocznie. Nasza cywilizacja produkuje rocznie 30 miliardów ton tego gazu, czyli potrzeba 30 tysięcy modułów, aby całkowicie zneutralizować wpływ człowieka na klimat planety.
Rozwiązanie problemu nadprzewodników
Nadprzewodniki to przyszłość przesyłu i magazynowania energii elektrycznej. Materiały te mają bardzo niski, prawie zerowy opór. Można z nich wykonać kable i baterie do systemów elektroenergetycznych. Problem w tym, że wszystkie znane obecnie nadprzewodniki są takie tylko w bardzo niskich temperaturach: poniżej - 163 ° C. Dlatego muszą być chłodzone i dobrze izolowane, co samo w sobie jest bardzo drogie. Konieczne jest znalezienie materiałów nadprzewodzących w wyższych temperaturach. I to już leży w zakresie kompetencji fizyki kwantowej i jej złożonych praw dotyczących zachowania cząstek subatomowych. Rozwiązanie problemu przekracza możliwości nowoczesnych komputerów. Ale naukowcy z amerykańskiego Narodowego Instytutu Standardów i Technologii opracowali „stymulator kwantowy” - system komputerowy, któryktóry pomoże naukowcom planować i stymulować interakcje między cząstkami kwantowymi i po prostu czytać informacje o wynikach tych interakcji. W ten sposób będzie można porównać znane nadprzewodniki z innymi materiałami i poszukać odpowiedniego spośród nich.
Stworzenie ujednoliconego modelu wszystkich praw i zjawisk w fizyce
Standardowy model fizyki cząstek jest obecnie najlepszym systemem do zrozumienia zachowania subatomowych cząstek materii. Nie może jednak wyjaśnić zjawiska grawitacji i rozszerzania się Wszechświata, zachodzących z rosnącą prędkością. Stworzenie jednego modelu, który obejmie wszystkie znane zjawiska fizyczne w przyrodzie, będzie uderzającym przełomem w nauce, porównywalnym z rozwojem teorii kwantów. Lasery, urządzenia mikroelektroniczne, ultraprecyzyjne zegary pracują teraz w oparciu o teorię kwantową, powstały kody nieodwracalne, czyli wiele rzeczy, o których nawet nie myślano, dopóki nie sformułowano teorii.
Jak rzeczywistość wokół nas może odbiegać od przewidywań modelu standardowego? Odpowiedź pojawi się po eksperymentach przeprowadzonych w Wielkim Zderzaczu Hadronów - gigantycznym akceleratorze cząstek. Pracuje z wielkimi energiami. następuje zderzenie cząstek - protonów. Zderzenie elektronów i pozytonów będzie bardziej obiecujące, ponieważ w tym eksperymencie można ustawić i zmienić energię każdego zderzenia oraz zbadać prostsze stany końcowe. Ale tych cząstek nie można przyspieszyć po okręgu, ponieważ w tym przypadku oddadzą swoją energię we wszystkich kierunkach. Zjawisko to znane jest jako promieniowanie synchrotronowe. Rozwiązanie leży na powierzchni: musisz je rozpędzić w linii prostej za pomocą akceleratora liniowego. Właśnie taka konstrukcja planowana jest w najbliższym czasie. Jego długość wyniesie 50 kilometrów. Można go zbudować w Japonii,Ameryka, Szwajcaria czy Rosja.
Choroba Alzheimera na płytkach Petriego
Obecnie na świecie jest 26 milionów ludzi z chorobą Alzheimera. To więcej niż liczba ludności całej Australii. W Wielkiej Brytanii jest 800 000 takich pacjentów. Oczekuje się, że liczby te podwoją się do 2050 roku. Przyczyna choroby jest nadal nieznana i nie ma skutecznego leczenia. Pacjenci mogą tylko nieznacznie poprawić jakość swojego życia. Aby zbadać chorobę, potrzebne są próbki tkanki mózgowej żywej osoby, ale z oczywistych powodów niemożliwe jest ich uzyskanie. I w tym przypadku eksperymentowanie na zwierzętach jest bezcelowe, ponieważ tylko ludzie są podatni na tę chorobę. Dlatego trudno przecenić wagę pracy dwóch niezależnych grup badaczy z Uniwersytetu Cambridge i Kalifornii. Byli w stanie wyhodować komórki mózgowe w laboratorium i obserwować rozwój choroby Alzheimera bezpośrednio na szalkach Petriego. Udało się się dowiedziećże choroba zaczyna się od stopniowego gromadzenia się małych nieprawidłowości komórkowych. Naukowcy pobrali komórki skóry od pacjentów, w których rodzinie byli pacjenci, od których otrzymali komórki macierzyste, które mogą przekształcić się w dowolne inne, na przykład komórki mózgowe. Badają wpływ różnych substancji, aby znaleźć sposoby na powstrzymanie rozwoju choroby. Naukowcy mają nadzieję, że projekt zakończy się sukcesem w ciągu najbliższych trzech do pięciu lat.
Szukaj cywilizacji pozaziemskich
Od 1995 roku, kiedy odkryto pierwszą gwiazdę podobną do Słońca z otaczającymi ją planetami - 51 Pegasi i jej planeta Bellerophon - astrofizycy zaczęli badać około 760 planet pod kątem istnienia na nich cywilizacji. Okazuje się, że te planety, które znajdują się mniej więcej w tej samej odległości od swoich słońc, jak Ziemia od ich gwiazdy, otrzymują od nich znacznie mniej światła i ciepła.
Astrofizyk i profesor z University of Colorado Webster Cash zaproponował urządzenie „ściemniacz gwiazd” - specjalny statek kosmiczny, który może blokować światło gwiazdy, umożliwiając czułym instrumentom teleskopu badanie dowolnej planety. Umożliwi to spektroskopowe badanie światła z tych planet w celu określenia ich składu chemicznego oraz obecności lub braku atmosfery. Możesz również dowiedzieć się, czy wokół planet jest para wodna. Kluczowym biomarkerem, czyli substancją, która mówi o obecności życia, jest tlen. To właśnie próbują znaleźć badacze.
Rozwój nowych silników do statków kosmicznych
Wystrzelenie statku kosmicznego na orbitę Ziemi jest raczej trudnym zadaniem. W tym przypadku prędkość statku kosmicznego musi być 25 razy większa niż prędkość dźwięku. Wymaga to wielostopniowego kadłuba z dużą ilością paliwa na pokładzie, który w razie przypadkowego wybuchu będzie przypominał wybuch małej bomby atomowej. Oprócz tego niebezpieczeństwa istnieje również problem finansowy. Taki lot kosztuje kilkadziesiąt tysięcy dolarów za kilogram ładunku w rakiecie. Ale ten stan rzeczy może wkrótce ulec zmianie.
Brytyjska firma Reaction Engines zaprojektowała bezzałogowy statek kosmiczny wielokrotnego użytku Skylon, pozbawiony powyższych wad. Kluczem do sukcesu tego projektu jest opracowanie zupełnie nowego systemu kosmicznego silnika SABRE, który może pracować w dwóch trybach: silnik odrzutowy (turbina gazowa) i silnik rakietowy.
Głównym paliwem jest wodór, a utleniaczem jest tlen. Podczas startu i lądowania tlen dostanie się do silnika bezpośrednio z atmosfery. A po wyjściu w kosmos do gry wejdą zbiorniki wewnętrzne z utleniaczem. Główne komponenty nowego silnika zostały już utworzone i są przygotowywane do szeroko zakrojonych testów. W przypadku powodzenia i realizacji projektu koszt wystrzelenia statku kosmicznego na orbitę Ziemi zmniejszy się 15-50 razy. Maksymalna masa ładunku, jaką Skylon może dostarczyć w kosmos, wyniesie 12-15 ton na wysokości 300 kilometrów i 9,5-10,5 ton na wysokości 460 kilometrów.
Uprawa „super pszenicy”
Aby wyżywić ludność Ziemi, potrzebne są grunty rolne o powierzchni wielkości Ameryki Południowej. Naukowcy próbują znaleźć bardziej efektywne sposoby zdobywania pożywienia. Eksperci z Wheat Yield Consortium uważają, że jednym ze sposobów rozwiązania tego problemu jest wyhodowanie „super pszenicy”, zmodyfikowanej rośliny do produkcji bardziej jadalnej biomasy. Celem rozwoju jest zwiększenie plonów o 50% w ciągu 25 lat. Ale jak? Zwiększając efektywność fotosyntezy. Fotosynteza to w roślinach proces tworzenia się materii organicznej z dwutlenku węgla i wody w świetle przy udziale barwników fotosyntetycznych (chlorofil u roślin, bakteriochlorofil i bakteriorodopsyna u bakterii). Planuje się zwiększenie wydajności tego procesu poprzez oddziaływanie na jeden z enzymów,który odpowiada za pierwszy etap fotosyntezy - wiązanie węgla. Tutaj możesz użyć zarówno metod biochemicznych, jak i genetycznych. Projekt jest nadal słabo finansowany, ale pierwsze eksperymenty już się rozpoczęły w Meksyku.
Tworzenie bezpiecznych elektrowni jądrowych
W 1954 roku w Obnińsku zbudowano pierwszą na świecie elektrownię jądrową. Od tamtej pory energia jądrowa została okrzyknięta niewyczerpanym źródłem energii na przyszłość. Jednak po dobrze znanych wydarzeniach w Czarnobylu i Fukushimie stało się jasne, że takie elektrownie stanowią ogromne zagrożenie. W związku z tym problemem powstaje projekt pod nazwą ITER (ITER) - największy na świecie reaktor termojądrowy, który powstaje we Francji dzięki wspólnym wysiłkom Unii Europejskiej, Indii, Chin, Korei Południowej, Rosji, Stanów Zjednoczonych i Japonii. Reaktor termojądrowy jest znacznie bezpieczniejszy niż reaktor jądrowy pod względem promieniowania. Ilość zastosowanych w nim substancji radioaktywnych jest stosunkowo niewielka. Energia, która może zostać uwolniona w wyniku wypadku, jest również niewielka i nie może doprowadzić do zniszczenia reaktora. Konstrukcja reaktora jest taka, że istnieją w nim naturalne bariery,zapobieganie rozprzestrzenianiu się substancji radioaktywnych. Niemniej jednak przy projektowaniu ITER wiele uwagi poświęcono bezpieczeństwu radiacyjnemu - zarówno podczas normalnej eksploatacji, jak i podczas ewentualnych wypadków. Energia w nim będzie wytwarzana przez fuzję jąder deuteru i trytu (izotopów wodoru z dodatkowymi neutronami). To paliwo jest bezpieczne, ponieważ podczas jego stosowania nie dochodzi do reakcji łańcuchowej. W rezultacie nie dochodzi do długotrwałego skażenia radioaktywnego. Ponadto w wodzie morskiej jest dużo deuteru, a tryt można łatwo uzyskać z litu. Energia w nim będzie wytwarzana przez fuzję jąder deuteru i trytu (izotopów wodoru z dodatkowymi neutronami). To paliwo jest bezpieczne, ponieważ podczas jego stosowania nie dochodzi do reakcji łańcuchowej. W rezultacie nie dochodzi do długotrwałego skażenia radioaktywnego. Ponadto w wodzie morskiej jest dużo deuteru, a tryt można łatwo uzyskać z litu. Energia w nim będzie wytwarzana przez fuzję jąder deuteru i trytu (izotopów wodoru z dodatkowymi neutronami). To paliwo jest bezpieczne, ponieważ podczas jego stosowania nie dochodzi do reakcji łańcuchowej. W rezultacie nie dochodzi do długotrwałego skażenia radioaktywnego. Ponadto w wodzie morskiej jest dużo deuteru, a tryt można łatwo uzyskać z litu.
Maszyny, które potrafią edytować DNA
Możliwość zmiany ludzkiego DNA od dawna zajmuje umysły naukowców i lekarzy na całym świecie. Odkąd dowiedział się o zależności różnych chorób od sekwencji genomu żywego organizmu, przeprowadzono wiele badań genetycznych, inżynierii genetycznej i biochemii, aby opracować metody leczenia z wykorzystaniem zmian w DNA. Z bakteriami wiąże się początek wielu odkryć biologicznych. Są to stosunkowo proste stworzenia, w których reprezentowanych jest wiele podstawowych procesów zachodzących w organizmie człowieka. Już teraz z ich pomocą prowadzona jest przemysłowa synteza substancji leczniczych. Aby mikroby służyły człowiekowi tak, jak potrzebuje, naukowcy nauczyli się wprowadzać odpowiednie zmiany w swoim DNA. Jednak takie eksperymenty wymagają dużo czasu, wysiłku i kosztów i nie zawsze kończą się sukcesem.
W niedalekiej przyszłości amerykańska korporacja LS9 zapewni ludności niedrogie paliwo, lekarstwa, a być może nawet żywność. Wszystko to powstanie w bioreaktorach opartych na tanich surowcach - rozmaitych odpadach organicznych, zrębkach drzewnych i tak dalej. Jeden z kierowników projektu, George Church, wraz ze swoimi współpracownikami opracował nowe podejście do otrzymywania mikroorganizmów o wymaganych właściwościach. Nowa technologia nosi nazwę MAGE (multipleksowo zautomatyzowana inżynieria genomiczna), czyli „wielokrotnie zautomatyzowana inżynieria genomiczna”. Opiera się na nowym urządzeniu, które można nazwać „maszyną ewolucji”.
Pozwala na jednoczesne dokonanie 50 zmian w bakteryjnym DNA, czyli sprawdzenie 50 wariantów w jednym eksperymencie. A kiedy wybór jest tak duży, łatwiej i szybciej znaleźć to, czego potrzebujesz. Naukowcy poszukują obecnie mikrobów „paliwowych”, które będą syntetyzować różne mieszanki węglowodorów o składzie zbliżonym do paliwa samochodowego. Pierwsza taka eksperymentalna placówka została uruchomiona w zeszłym roku w San Francisco i już teraz zatrudnia chemików bakteryjnych pierwszej generacji. Z trzciny cukrowej produkują setki galonów biopaliwa tygodniowo. To paliwo jest krystalicznie czyste i spełnia międzynarodowe standardy.
Autorzy opracowania uważają, że zasada przyspieszonej ewolucji w maszynie pozwoli uzyskać tak zmodyfikowane bakterie, które będą syntetyzować w ogromnych ilościach tanie składniki odżywcze i różne leki.
Kierownik projektu LS9, Bill Haywood, jest optymistą: „Uzdrowimy świat”. Naprawdę chcę wierzyć, że tak będzie.
Magazyn: Sekrety XX wieku nr 41. Autor: Irina Bakhlanova