10 технических концепций, о которых будут говорить в 2010 году: Инновации 2010

В представлениях большинства уголь — это грязное топливо, а топливные элементы работают на водороде. Эта картина будет разрушена благодаря новому поколению угольных топливных элементов прямого действия. Поскольку добыча водорода представляет собой относительно сложный процесс, в этих элементах энергия получается в результате электрохимического взаимодействия между кислородом и измельченным в пыль углем (можно использовать и другие источники углерода — например, биомассу). Главное преимущество этой идеи — получение энергии из углерода, не предполагающее его сжигания, а это обещает удвоение КПД в сравнении с обычной угольной электростанцией. В калифорнийской компании Direct Carbon Technology собираются уже в 2010 году построить пилотную установку мощностью 10 кВт, работающую на биомассе. Тем временем Contained Energy из Огайо обещает уже в ближайшем времени показать, как от такого источника будет светиться обычная лампочка накаливания. В перспективе обе компании нацелены на разработку модульных топливных элементов, которые можно будет объединять в блоки, создавая автономные электростанции малого масштаба или наращивая экологически чистые мощности на уже имеющихся станциях.

Последние пять лет ученые из Университета Альберты в городе Эдмонтон работают над глобальным проектом под названием «Метаболизм человека». Это база данных, включающая в себя 8000 естественных метаболитов (разнообразных, не очень сложных молекул, действующих в химических реакциях человеческого тела), а также 1450 лекарственных препаратов, 1900 пищевых добавок и 2900 токсинов, которые обнаруживаются в анализах крови и мочи. Имея на руках такую исчерпывающую информацию, исследователь может сформировать «метаболический профиль» пациента и, взяв на анализ одну-единственную каплю крови или мочи, сделать вывод, что пациент, к примеру, любит шоколад или стоит на пороге опасного заболевания. Сегодня подобный анализ подразумевает использование сложнейшего оборудования, которое стоит миллионы долларов и доступно лишь крупным исследовательским лабораториям. Первое издание этой базы данных было выпущено в 2007 году, и сейчас она широко используется в коммерческих приложениях — например, в выявлении наркотических веществ или в диагностике определенных заболеваний. Благодаря систематизированной базе заметно упрощается проведение анализов в индивидуализированном здравоохранении и медицинском консультировании.

В Калифорнийском технологическом несколько лет назад придумали игру-головоломку, в которой берут микроскопические цепочки молекул из ДНК и складывают из них разнообразные узоры. Прошлым летом ученым пришло в голову, что сложенные определенным образом генетические фрагменты можно трактовать как основу для конструирования сверхминиатюрных микросхем. Объединившись с исследователями из компании IBM, калифорнийские биологи показали, что фигурки, составленные из цепочек ДНК (например, треугольники), можно осмысленно выкладывать на кремниевой подложке. Это позволило использовать фрагменты ДНК в качестве опорных точек для миниатюрных электронных компонентов. В результате элементы микросхем могут достигать размеров порядка 6 нм. Это очень серьезное достижение, если вспомнить, что современный стандарт — 45 нм.

Идеальный протез конечности должен работать точно так же, как и настоящая конечность. Новое направление, названное оссеоинтеграцией, позволяет сращивать протез из титана с живой костью пациента. Новый метод уже испытан на зубных протезах и в лицевой пластике. Сейчас идет работа над полномасштабными протезами конечностей. В 2008 году ветеринары смогли приживить протез лапы немецкой овчарке по кличке Кассиди, а на 2010 год в Университете Северной Каролины запланировано шесть аналогичных операций — тоже на собаках. Рассматривается также возможность операции на оцелоте из зоопарка Северной Каролины. Впереди самое сложное — применить те же методы в протезировании человеческих конечностей.

Традиционная гидроэлектростанция — это в первую очередь огромная плотина, то есть крупномасштабное инженерное сооружение, ломающее привычные ландшафты и сложившиеся экосистемы. Есть и более тактичный подход — кинетическая гидроэнергетика, в которой энергия естественных потоков в реках и приливах преобразуется в электричество за счет установленных под водой турбин. Для того чтобы убедиться в перспективности этого подхода, компания Verdant Power с 2006 года ведет испытания шести турбин на дне реки Ист-Ривер в Нью-Йорке. В компании надеются, что в 2010 году будет получено разрешение на установку еще 30 подводных турбин к востоку от острова Рузвельта, выдающих 1 МВт электроэнергии в электросеть. Еще несколько аналогичных проектов по всему миру также подошли к завершению пилотных испытаний и готовы к запуску полномасштабных установок. Среди них следует отметить три агрегата — они должны взнуздать самый мощный прилив в мире, который наблюдается в Канаде, в заливе Фанди.

Углеродные нанотрубки были открыты в 1991 году, и с тех пор о них говорят как о грядущей технической революции. Это понятно, если учесть их фантастическую тепло- и электропроводность, а также высокую удельную прочность, в сотню раз превосходящую прочность стали. Однако до сих пор производство материалов из нанотрубок в промышленных объемах сталкивалось с определенными трудностями. Но скоро ситуация может измениться. Компания Nanocomp Technologies из Нью-Хемпшира освоила плетение длинных волокон из нанотрубок, а этому продукту уже легко найти разнообразные коммерческие применения. Недавно около 10 км нового нановолокна было отпущено крупному клиенту из аэрокосмической области, а весной в Пентагоне провели пробный обстрел ткани из такого волокна, оценивая возможность изготовления из нее бронежилетов нового поколения — они должны быть и легче, и тоньше, чем нынешние кевларовые.

Триллионы кубометров природного газа залегают на территории США в месторождениях на глубинах около 3 км. Большая часть этих залежей считается недоступной, поскольку газ располагается в пластах глинистых сланцев и его добыча считается нерентабельной. Решение этой проблемы лежит на поверхности — надо бурить скважину вертикально, пока она не дойдет до пластов сланца, а затем развернуть скважину в горизонтальном направлении, пробиваясь как можно дальше вдоль месторождения. Эта идея была высказана уже давно, но интерес к ней проснулся, когда для этого созрели технологические возможности, а цены на газ выросли. В 2008 году компания Chesapeake Energy развернула 14 буровых вышек под горизонтальное бурение на обширных сланцевых залежах Хэйнесвилль. К концу 2010 года там должны действовать уже 40 таких буровых.

В пьезоэлектрических материалах электрическое напряжение преобразуется в механические деформации и наоборот. Теперь есть возможность реализовать это свойство в электронных дисплеях, экраны которых могут менять рельеф или фактуру поверхности. В этом году должны появиться первые модели потребительских устройств, у которых чувствительный к прикосновению экран после выключения будет «твердеть», а при включении — «размягчаться».

Главная проблема, которую еще не решили в работах над электромобилями, — где и как хранить запас энергии. Аккумуляторы совершенствуются, однако остаются дорогими. Они долго заряжаются, а срок их службы оставляет желать лучшего. Одно из решений — суперконденсатор. В сравнении с аккумулятором у него меньше энергоемкость (по крайней мере на нынешнем этапе технического развития), зато нет ни одного из присущих аккумулятору недостатков. Тут тебе и долгий срок службы, и отсутствие всяких неприятных химических реакций, никаких проблем с «эффектом памяти» и высокая надежность. Уже несколько лет идет борьба за совершенствование конденсаторов с расчетом на использование их в автомобилях. В Массачусетском технологическом институте работают над суперконденсатором на нанотрубках, а в Аргоннской национальной лаборатории исследуют возможности аккумуляторно-конденсаторного гибрида. Можно также ждать сюрпризов от техасской компании EEStor. Она никогда не афишировала своих успехов, но в апреле объявила, что ее разработка на основе титаната бария выдержала цикл решающих испытаний. Эта декларация не вызвала особого доверия, однако партнер компании ZENN Motors выступил с громкими заявлениями, что уже в 2010 году он выпустит электромобиль на базе сверхъемких конденсаторов.