Как бороться с малярийными комарами?

Малярия, несмотря на давнюю историю сосуществования с человеком, и сейчас остается одним из самых распространенных заболеваний. По данным ВОЗ, в 2012 году малярией заразились более 200 млн (!) человек, и она стала причиной почти 700 000 смертей, причем 70% умерших — это дети до пяти лет. Согласно ежегодному докладу ВОЗ о малярии (World Malaria Report 2013), в малярийной группе риска находится почти половина населения планеты — 3,4 млрд человек, из них в группе высокого риска — 1,2 млрд. Неудивительно, что борьба с малярией ведется на всех фронтах: это и репелленты, и препараты для борьбы с возбудителями болезни — внутриклеточными паразитами рода Plasmodium, и попытки (пока не слишком успешные) разработать противомалярийную вакцину. Признавая свое бессилие, ВОЗ даже выборочно разрешила использование давно запрещенного инсектицида — печально знаменитого ДДТ — для обработки помещений в местах, эндемичных для малярийных комаров.

У Жерара Нуиле, руководителя Института систем автономного управления (ZKTH) в швейцарском Университете Майнцига (MH), есть личные причины бороться с малярией. Когда он был ребенком, его отец, работавший в одной из миссий ООН в Габоне, заразился малярией и с трудом выжил. Поэтому Жерар с детства мечтал стать врачом, хотя жизнь сложилась по-другому: он стал специалистом по микроэлектромеханическим системам (MEMS). В 1990-х его пригласили на работу в швейцарский Майнциг, где работали над созданием сверхмалых автономных летательных аппаратов. Как вспоминает Жерар, слово «сверхмалый» в то время означало немного другое — размах крыла в 5−10 см. Конечно, никакая борьба с малярией в список задач MH ZKTH, который со временем стал одним из мировых лидеров в области микро-БПЛА, не входила. Однако в 2004 году, когда технология MEMS-устройств уже сделала возможной разработку летательных аппаратов миллиметровых размеров, один из инженеров дал прототипу имя Anopheles. «Название словно бы подняло из глубин памяти мою детскую мечту, — говорит Жерар. — И вот тогда я подумал: пока врачи борются с возбудителями болезни и ее последствиями, почему бы нам не побороться с ее распространителями — самими малярийными комарами?»

Успехи медицины по лечению и предотвращению малярии пока довольно скромны (во всяком случае для большинства африканских стран). Основной метод борьбы — уничтожение малярийных комаров с помощью инсектицидов, а также меры индивидуальной защиты, такие как репелленты и противомоскитные сетки. Несмотря на все усилия, победить комаров в массовом масштабе не удается, а локальные меры, по своей природе пассивные, не дают 100%-ной гарантии. Несколько лет назад стартовали проекты создания трансгенных бесплодных или устойчивых к малярии комаров, которые могли бы вытеснить обычных в дикой природе.

Есть и более экзотические проекты. Знаменитая венчурная компания Intellectual Ventures, основанная в 2000 году Натаном Мирволдом, бывшим директором по технологиям компании Microsoft, в 2009 году анонсировала систему Photonic Fence, своеобразный гибрид «домашней ПВО» и системы СОИ, которая в радиусе 30 м обнаруживала и с помощью УФ-лазера поражала комаров, пережигая им крылья. Однако эксперты раскритиковали эту систему, поскольку она слишком дорогая и к тому же потребляет много энергии. Последний фактор составляет большую проблему для тех стран, где свирепствует малярия: как правило, электропитание там, мягко говоря, нестабильно, а в некоторых местах и вовсе отсутствует.

«Подобно тому, как американские военные отказались от СОИ в пользу более старых добрых ракет, мы пошли более традиционным путем. Существует известная поговорка "Если хочешь поймать вора — найми другого вора", и мы решили создать микроскопический беспилотник, который мимикрировал бы под малярийного комара», — говорит Жерар Нуиле, демонстрируя сидящего на своем пальце «комара». Сквозь лупу, конечно, можно заметить мелкие отличия, но в полете они не видны. Команде разработчиков MH ZKTH удалось, казалось бы, невозможное — они смогли построить микроскопический автономный БПЛА, способный самостоятельно патрулировать территорию в сотни квадратных метров, причем как в одиночку, так и группами. В последнем случае программное обеспечение позволяет распределять территорию так, чтобы БПЛА не мешали друг другу, и никакой суперкомпьютер для этого не нужен — достаточно обычного смартфона (для передачи команд используется протокол Bluetooth 4.0 LE с низким энергопотреблением).

«Истребители москитов», названные Mosquito Killer (MK-12, поскольку это 12-е поколение модели), имеют свой собственный интеллект, хотя и весьма «комариный». Они оснащены чувствительными узкополосными стереомикрофонами, которые засекают писк комаров на расстоянии до 10 м, по его спектру определяют принадлежность комара к роду Anopheles и его пол (человека кусают только самки). После этого они, подобно истребителям, наводятся на цель, настигают ее (скорость полета MK-12 превышает скорость комара как минимум втрое — 3 м/с против 1 м/с). А потом...

Как можно уничтожить комара? По словам Жерара Нуиле, разработчики рассматривали самое разное вооружение: лазер, водяная или пневматическая пушка. Но все эти методы были отвергнуты. Самым энергоэффективным был признан «абордаж»: MK-12 оснащен небольшой складной насадкой на «лапе», которую он выдвигает, подлетая вплотную к малярийному комару, после чего заходит сзади и просто отрубает противнику крыло. Насадка эта приводится в движение отдельным приводом из электроактивного полимера и напоминает саблю. Тут я цитирую Корнея Чуковского: «...саблю вынимает, и ему на всем скаку голову срубает!» «Да, да, очень точно!» — смеется Жерар. — Только не голову, а крыло! По голове попасть сложнее, да и экзоскелет комара довольно прочный. А крылья легко повредить».

Крылья MK-12 представляют собой настоящее произведение инженерного искусства. Это тончайшая пленка из майлара толщиной всего 200 нм, армированная каркасом из углеродных нанотрубок. Крылья приводятся в движение с помощью «полимерных мышц» — полосок электроактивного полимера, сокращающегося при подаче на него электрического напряжения.

Однако главная проблема микроБПЛА — это не крылья, а система энергообеспечения. Для поддержания полета требуется порядка 0,13 Вт/г (скажем, 230-граммовый игрушечный вертолет потребляет около 30 Вт), а масса планера и системы управления MK-12 — всего 2 мг (настоящий комар весит столько же). Если добавить к этому источник питания такой же массы (2 мг), его мощность должна составлять примерно 0,55 мВт. На первом этапе создания прототипов разработчики использовали литиевые аккумуляторы. Они имеют энергоемкость 1000 Дж/г, и 2-мг батарея обеспечивала «истребитель» энергией в течение часа. Но при этом основной проблемой стало время зарядки — примерно час (при меньшем времени зарядки сильно сокращается ресурс, который и так невелик, порядка месяца), да и количество циклов зарядки было ограничено, что практически означало, что «истребитель» будет патрулировать лишь треть всего времени. К тому же такая плотность энергии — удел батарей нормального размера, а сверхминиатюрные источники питания имеют значительно более скромные показатели. Коллектив MH ZKTH не стал браться за разработку своих батарей, ведь над этим и так трудятся десятки команд по всему миру — и пока с более чем скромным результатом. Решено было пойти абсолютно другим путем: использовать ядерную энергию!

Конечно, ядерный реактор с трудом умещается даже на транспортном самолете. А вот ядерные батареи, использующие энергию естественного распада радиоактивных изотопов, могут быть сколь угодно малы. Такое устройство фактически представляет собой солнечную батарею с нанесенным на нее слоем бета-активного изотопа, который «освещает» ее быстрыми электронами. И хотя удельная мощность батарей все еще значительно меньше, чем у литиевых аккумуляторов, их емкость может быть существенно больше.

«Первой проблемой нашей группы стало повышение удельной мощности батарей, — говорит главный конструктор силовой установки MK-12 Игер Горф, который многие годы разрабатывал радиоизотопные батареи космических аппаратов. — Обычно применяют изотопы с периодом полураспада, составляющим годы. А если взять изотоп, живущий месяцы или даже дни, мощность пропорционально увеличится. Вторая проблема состояла в том, что все батареи до сих пор были одноразовыми: после распада достаточного количества материала батарея отправлялась на переработку или захоронение. Это приемлемо, когда срок ее жизни измеряется годами, но что делать, если ресурс батареи расходуется за неделю? Поэтому нужно было придумать систему дозаправки. Но еще до этого — систему удаления продуктов распада».

Решения, предложенные разработчиками MH ZKTH, как все гениальное, оказались предельно простыми. Как удалять продукты распада? А пусть они удаляются сами! Нужно лишь подобрать изотоп, у которого продукт распада — газ, и тогда он сам будет уходить из батареи. А для задачи заправки тоже нашлось простое решение: полупроводниковый преобразователь надо сделать не в виде плоских пластин, а в виде узких каналов, которые будут впитывать в себя водный раствор «топлива». Вода будет испаряться, а изотоп — оседать на стенках. Осталось только найти подходящий изотоп: относительно безопасный, распадающийся на газ и с подходящим периодом полураспада. Вначале был выбран цезий-131, но вскоре выяснилось, что при его распаде электроны получают слишком высокую энергию и проходят миниатюрную батарею насквозь, в результате чего КПД оказался низким. Поэтому был выбран изотоп серы-35.

Сера-35 — это мягкий бета-излучатель, не дающий побочного гамма-излучения, со средней энергией электронов 53 кэВ (максимальная энергия — 167 кэВ). При распаде этого изотопа излучение не способно пройти через верхний мертвый слой кожи, так что это безопасно для человека. Продукт распада серы-35 — хлор (это объясняет «запах больницы», который почти неуловимо витает в лаборатории и к тому же дезинфицирует помещение, что немаловажно в тропических странах). Период полураспада составляет 87 дней — достаточно мало для высокой мощности (13,4 Вт/г), но достаточно много, чтобы не требовалось часто заряжать батарею. К тому же такой период полураспада означает быстрое самоочищение территории в случае, если произойдет заражение. Этот изотоп содержит 146 МДж энергии в одном грамме, что в три с лишним тысячи раз больше, чем у бензина, а про электрические аккумуляторы и говорить не приходится.

Впрочем, нужно было преодолеть еще пару трудностей: низкий КПД и радиационную деградацию преобразователя. Решить эти проблемы удалось, применив вместо обычных кремния и арсенида галия карбид кремния. Ширина его запрещенной зоны втрое больше, что позволило втрое поднять КПД (с 5 до 15%). Кроме того, этот материал имеет куда более прочные химические связи и потому почти не портится при воздействии радиации.

Ядерная батарея представляет собой сотовую структуру из карбида кремния с каналами шириной 30 мкм и стенками толщиной 20 мкм. Изначально соты делаются из полупроводника с электронной проводимостью, затем его поверхность насыщается акцепторной примесью, и ее проводимость меняется на дырочную. Таким образом, на глубине нескольких микрон формируется p-n-переход, необходимый для преобразования излучения в электричество. Внешняя поверхность сот — плюсовой выход батареи, в одном месте поверхность сошлифовывается до n-слоя, это «минус». Поверхность батареи покрывается тончайшим, меньше микрона, слоем золота, чтобы исключить химические реакции между полупроводником, водой, серой и воздухом.

Тонкие каналы батареи впитывают в себя коллоидный раствор серы-35, после чего вода испаряется и сера выпадает тонким ровным слоем на стенки. Затем процесс повторяется несколько раз. В полностью заряженной батарее на радиоактивный изотоп приходится 15% массы — рекордный показатель. В результате получается преобразователь массой 1,7 мг, содержащий 0,3 мг серы-35, которая производит 4 мВт энергии в виде бета-излучения, из них 0,6 мВт преобразуется в электричество, чего вполне хватает для полета.

Увы, из-за распада серы мощность батареи довольно быстро падает: уже через десять дней она составит лишь 0,55 мВт — минимум, необходимый «истребителю». Но простота заправки батареи свежим изотопом позволяет делать это раз в неделю, тем более что для небольшой дозаправки достаточно одного захода: аппарат подлетает к емкости с раствором серы, опускает туда хоботок (прямо как настоящий комар!), капиллярные силы засасывают топливо внутрь батареи, после чего аппарат ожидает испарения воды и улетает на боевое патрулирование.

За пять лет разработчики MH ZKTH создали несколько сотен прототипов, доведя конструкцию практически до совершенства. Нынешнее, 12-е поколение «истребителей» абсолютно безопасно во всех отношениях (в том числе и в радиационном) и, согласно проведенным испытаниям, обеспечивает очень высокую эффективность уничтожения комаров (99,97%). При массовом производстве (технология его уже разработана) MK-12 обойдется менее чем в $100, причем разработчики гарантируют срок службы «истребителей» как минимум в три года. Сера-35 стоит недорого, так что общие затраты на эксплуатацию будут невелики. Похоже, что детская мечта Жерара победить летающих убийц близка к осуществлению: на патрулируемой территории комар не пройдет. Точнее, не пролетит.

Примечание редакции: данная статья опубликована в апрельском номере журнала и является первоапрельским розыгрышем.