Große Idee 1: Flugzeuge wiederaufladbar machen
Tesla. Prius. Volt. Die Autoindustrie ist voll von radikalen neuen Designs, die die Umweltbelastung durch das Autofahren reduzieren. Die Flugzeugindustrie hat die Treibstoffeffizienz jahrzehntelang schrittweise verbessert, aber sie hat das Potenzial der aktuellen Konstruktionen ausgereizt und wird bald mit einem ähnlich transformativen Umdenken aufwarten müssen. Und sie muss sich beeilen. Der Flugverkehr wird explodieren und sich bis 2031 mehr als verdoppeln, da die Entwicklungsländer immer wohlhabender werden. Dieses Wachstum könnte alle anderen Verbesserungen auffressen, die wir durch die Sanierung von Autos oder Energienetzen erzielen.
Es gibt eine Reihe von Möglichkeiten, das Problem anzugehen. Die NASA überdenkt das Design von Flugzeugen, indem sie aufsehenerregende Konzepte wie die MIT D-Serie sponsert, bei der ein Zweizylinderkörper die Montage von Motoren am Heck und eine Reduzierung des Treibstoffverbrauchs um etwa 50 Prozent ermöglicht. (Sie sind auch viel leiser.) Intelligentere Navigationssysteme könnten den Fluggesellschaften kürzere, direktere Flugrouten ermöglichen. Und kleine Kurzstreckenflugzeuge könnten schließlich elektrisch betrieben werden: Das slowenische Unternehmen Pipistrel hat einen elektrischen Viersitzer entwickelt, der die doppelte Kilometerleistung eines vergleichbaren Flugzeugs aufweist. „All diese Technologien konvergieren und ermöglichen Fähigkeiten, die vor 10 Jahren noch unvorstellbar waren“, sagt David Hinton, stellvertretender Direktor für Luftfahrtforschung bei der NASA. Der Himmel ist die Grenze. -Clive Thompson
Große Idee 2: Den Planeten mit Mikromaschinen versorgen
Harry Gray kennt sich mit Elektronen aus. 1982 entdeckte der Caltech-Chemiker, dass Elektronen durch Proteine „tunneln“, also über lange Molekülketten hinweg springen. Dieser Trick erweist sich als der belebende Atem des Lebens; auf diese Weise wandeln Lebewesen Energie in etwas um, das sie nutzen können, von Pflanzen, die die Energie des Sonnenlichts in ihren Zellen speichern, bis hin zu so ziemlich jeder Lebensform, die Brennstoffe wie Glukose verbrennt, um Strom zu erzeugen. Dies alles wird durch Hybridmoleküle, so genannte Metalloproteine, ermöglicht, die die formverändernde Flexibilität von Proteinen mit der Fähigkeit von Metallen, chemische Reaktionen zu katalysieren, kombinieren.
Als Gray dies herausfand, war er bereits an Solarenergie interessiert. Wenn man versucht, einen nahezu unbegrenzt erneuerbaren Stromgenerator zu entwickeln, so erkannte er, könnte man versuchen, ein von Metallproteinen angetriebenes System wie die Photosynthese zu kapern. Aber das würde nicht funktionieren. Die biologische Maschinerie ist zu zerbrechlich und ineffizient und muss alle paar Minuten neu synthetisiert werden, um zu funktionieren.
Wenn man eine molekulare Maschine will, die effizient und zuverlässig Strom erzeugt, so Gray, muss man sie selbst bauen. Er und seine Kollegen stellen sich mikroskalige Batterien mit Metalloxiden an einem Ende und Silizium am anderen Ende vor, die wie Metalloprotein-Arrays in Pflanzenzellmembranen aufgebaut sind. Die Metalloxide würden blaue Wellenlängen des Sonnenlichts absorbieren und die Energie nutzen, um Meerwasser in Sauerstoff und Protonen aufzuspalten, während das Silizium rotes Licht absorbieren und die Protonen mit Elektronen kombinieren würde. Das ist clever, denn ein Proton in Verbindung mit einem Elektron ist eigentlich Wasserstoff, der als Brennstoff verwendet werden kann. Die Kurzversion: freier Wasserstoff aus Sonnenlicht. „Der ganze Schwerpunkt unserer Arbeit liegt darauf, Moleküle oder Materialien zu entwickeln, die sehr robust sind“, sagt er, „und die in Solartreibstoffanlagen lange halten.“
Es könnte sogar funktionieren. Künstliche Wasserspalter sind bereits 10-mal effizienter als die natürliche Photosynthese, auch wenn die Maßstabsvergrößerung noch Jahrzehnte entfernt ist, da die Forscher nach neuen Katalysatoren suchen, um die Chemie anzutreiben. (Die exotischen Metalle, die sie heute verwenden, sind teuer und giftig.) Dennoch ist Gray optimistisch. „Das natürliche System musste etwas aufbauen, das tatsächlich leben kann“, sagt er. „Alles, was wir tun müssen, ist, Treibstoff herzustellen. Oh, und den Planeten retten. -Thomas Hayden
Große Idee 3: Alles mit Wi-Fi-Hotspots ausstatten
Die gesamte mobile Wirtschaft basiert auf der Annahme, dass wir in der Lage sein werden, auf das mobile Internet zuzugreifen, wann und wo immer wir es wollen, und das mit immer höherer Geschwindigkeit. Die Realität sieht nicht so rosig aus: Mobilfunkanbieter wie AT&T und Verizon haben bereits ihre unbegrenzten Datentarife eingestellt, und der Kampf um die Bandbreite wird noch zermürbender werden, wenn die Zahl der Tablets und Smartphones weiter explodiert.
Ein begrenzter Zugang ist mehr als nur ein Ärgernis, er ist eine tödliche Bedrohung für Innovationen. Es wird erwartet, dass die Mobilfunktechnologie bis 2020 einen weltweiten Einfluss von 4,5 Billionen Dollar haben wird. Das Wachstum hängt jedoch von unserer Fähigkeit ab, die Kapazitäten zu erweitern. Wir brauchen einen Zugang, der der Anzahl der Geräte entspricht, die ihn benötigen.
Bei der Lösung dieses Problems könnte die Verfügbarkeit von Wi-Fi helfen. Internet- und Telefongesellschaften haben bereits damit begonnen, in dicht besiedelten Gebieten kleine Zellen – im Wesentlichen winzige Mobilfunktürme, die neben 4G auch Wi-Fi anbieten – aufzustellen. Aber diese Unternehmen haben wenig Anreiz, die massive Infrastruktur aufzubauen, die erforderlich ist, um den Rest der Welt anzuschließen.
Ein Unternehmen hat eine einzigartig kühne Lösung entwickelt – eine Wi-Fi-Antenne in einer Sprühdose. Chamtech Enterprises hat eine mit Millionen von Nanokondensatoren gefüllte Flüssigkeit entwickelt, die, wenn sie auf eine Oberfläche gesprüht wird, Funksignale besser empfangen kann als ein normaler Metallstab. Mit einem Router können die Antennen von Chamtech mit einem Glasfasernetz kommunizieren, Signale von gezielten Satelliten empfangen und eine Verkettung mit nahegelegenen Knotenpunkten herstellen, wodurch ein Maschennetz aus kostengünstigen Wi-Fi-Breitband-Hotspots entstehen kann. Da die Antennen auf jede beliebige Oberfläche aufgemalt werden können, gäbe es keine NIMBY-Bewegung, die jeden neuen Mobilfunkturm begrüßt. Wenn das noch nicht fantastisch genug ist, versuchen Sie es hiermit: Kein Fluchen mehr über AT&T. -Rachel Swaby
Große Idee 4: Wüsten in Kraftwerke verwandeln
Stellen Sie sich trockene Weiten wie die Sahara nicht als trostlose Einöden vor. Betrachten Sie sie als nahezu unerschöpfliche Quellen für saubere Energie. In sechs Stunden Tageslicht saugen die Wüsten der Erde mehr Energie auf, als die Menschheit in einem Jahr verbraucht. Jetzt hat ein unwahrscheinliches Konsortium von Politikern, Wissenschaftlern und Wirtschaftsexperten aus dem gesamten Mittelmeerraum einen Plan, um diese Energie nutzbar zu machen. „Desertec“ würde Hunderte von Quadratkilometern an Wind- und Solaranlagen in den Wüsten der Welt umfassen, die an Stromnetze angeschlossen werden, um zuverlässige, erneuerbare und erschwingliche Energie in sonnenärmere Regionen zu leiten. Die Planer hoffen, dass die Solarenergie zuerst von Nordafrika nach Europa fließt. Schätzungsweise 1.300 Quadratmeilen nordafrikanischer Wüste könnten bis 2050 20 Prozent des europäischen Energiebedarfs decken. „Alles, was nötig ist, um das Desertec-Konzept zu verwirklichen, ist bereits vorhanden“, sagt Thiemo Gropp, der Kodirektor der Stiftung. Wie bei den meisten großen Infrastrukturprojekten sind die größten Herausforderungen politischer Natur. Die führenden Politiker Nordafrikas sehen in Desertec ein Instrument zur Schaffung von Arbeitsplätzen, aber der Arabische Frühling hat die Investoren hinsichtlich der langfristigen Stabilität der Region verunsichert. Die Wirtschaftskrise in Europa hat die Mittel für öffentliche Bauvorhaben erschöpft, und der Kontinent ist ein Wirrwarr aus inkompatiblen Stromnetzen und Vorschriften. Dennoch könnte das Desertec-Konzept aufgehen. Neunzig Prozent der Weltbevölkerung lebt in einem Umkreis von 1.800 Meilen um eine Wüste. Chinas Städte könnten von der Gobi mit Strom versorgt werden; Südamerika könnte Leitungen von der Atacama verlegen. Wo Licht ist, gibt es Hoffnung.
-Andrew Curry
Große Idee 5: Setzen Sie digitale Displays in Ihre Augen
Smartphones haben uns eine ständige Verbindung zu den Informationen der Welt ermöglicht. Aber um auf diese Informationen zuzugreifen, müssen wir auf unsere Geräte starren, was dazu führt, dass wir leicht einen Unfall bauen und unsere Tischnachbarn verärgert sind. Was wäre, wenn wir all diese Informationen nahtlos abrufen könnten, ohne unser Leben oder unsere Freundschaften zu riskieren?
Die Mitbegründer von Google sprechen seit 2002 über eine direkte Verbindung zu unseren Gehirnen. Bislang sind sie dem am nächsten gekommen mit dem Prototyp von Google Glass, einer Brille, die Informationen auf ein Heads-up-Display projiziert, das nur für den Träger sichtbar ist. Babak Parviz, der Gründer von Project Glass, der auch außerordentlicher Professor an der University of Washington ist, hofft jedoch, noch einen Schritt weiter gehen zu können. Er schlägt einen langfristigen Plan vor, die klobige Brille abzuschaffen und ein Mikrosystem auf eine Kontaktlinse zu bauen. Mit Hilfe von Funksignalen, die nicht breiter als ein paar menschliche Haare sind, können diese Linsen seiner Meinung nach die Realität erweitern und ganz nebenbei auch noch die Displays von Telefonen, PCs und Breitbildfernsehern überflüssig machen. „Das Einzige, was diese Displays tun, ist, ein Muster auf der Netzhaut zu erzeugen“, sagt Parviz. „Wenn man also eine Kontaktlinse hat, die das kann, braucht man keines dieser Displays mehr“. Ein weiterer Vorteil: Die Linsen könnten als ständiger Gesundheitsmonitor fungieren, indem sie mit winzigen Biosensoren die Zellen des Auges analysieren. -S.L.
Große Idee 6: Den einfallenden Asteroiden den Krieg erklären
Der Film Armageddon hat zwei Dinge richtig gemacht: Erstens sind wir auf einen ankommenden Asteroiden völlig unvorbereitet. Und zweitens? Das richtige Werkzeug für die richtige Aufgabe. „Bruce Willis hat einen sehr wichtigen Beitrag zur planetarischen Verteidigung geleistet“, sagt Bong Wie, Direktor des Asteroid Deflection Research Center an der Iowa State University. Armageddon hat dazu beigetragen, die Theorie der unterirdischen Explosionen populär zu machen. Und Wie hat eine Rakete – das Hyper-Velocity Asteroid Intercept Vehicle – die eine solche Explosion erzeugt. Vorne: ein „Abfangjäger mit kinetischer Energie“. Hinten: eine Atombombe. Der kinetische Teil fährt in den Felsen, und die Bombe sprengt alles in Stücke. Die NASA fand das gut und gab Wie einen Zuschuss von 100.000 Dollar. Die Konstruktion behebt einen der größten Mängel von Atombomben im Weltraum. Würde man eine Bombe auf die Oberfläche eines Asteroiden schleudern, würde das spaltbare Material schmelzen, bevor es detonieren könnte, und eine Explosion aus dem Stand würde das Ziel nicht zerstören. Das HAIV bringt die Bombe ins Innere des Gesteins, wo sie Bodenerschütterungen erzeugt, die die Kraft der Explosion um das Zwanzigfache verstärken. Wie plant, das System ohne Atombombe um das Jahr 2020 herum zu testen, aber er sagt, dass er es in weniger als einem Jahr in die Luft bringen könnte, wenn ein Zusammenstoß unmittelbar bevorstünde. „Viele Leute in unserer Gemeinschaft denken, dass wir das System, von dem ich spreche, einfach zusammenbauen können, wann immer wir es brauchen“, sagt Wie. Es würde 500 Millionen Dollar kosten, aber das sind ein paar Körnchen Sternenstaub im Vergleich zum Ende der Zivilisation, wie wir sie kennen (und 50 Millionen Dollar weniger als Armageddon an den weltweiten Kinokassen einspielt).
-Ben Paynter
Große Idee 7: Wolkenkratzer aus Diamanten bauen
Es ist eines der härtesten Materialien im Universum. Er ist absolut klar, praktisch reibungslos, chemisch inert und ein ausgezeichneter Wärmeleiter. Und er besteht aus einem der am häufigsten vorkommenden Elemente: Kohlenstoff. Diamant – eigentlich nur ein Kohlenstoffkristall – ist äußerst nützlich in Bereichen von der Mikroelektronik bis zur Wasseraufbereitung. Leider sind große Diamanten auch äußerst selten. Aber stellen Sie sich vor, das Material wäre so allgegenwärtig wie Stahl.
Stephen Bates könnte genau das möglich machen. Der 64-jährige Wissenschaftler hat nicht nur für die NASA und Princeton gearbeitet, sondern auch einige Jahre bei General Motors verbracht, wo er einen transparenten Kolbenmotor aus Saphir baute, der einen noch nie dagewesenen Blick auf den Fluss von Flammen und Gasen ermöglichte. Dieser Saphirmotor brachte Bates auf die Idee, über Diamanten nachzudenken. „Alles, was man mit Saphir machen kann, würde mit Diamant besser funktionieren, wenn man es sich leisten könnte“, sagt er.
Nachdem er sich in die Forschung über die Synthese von Kristallen in dünnen Filmen durch ein Verfahren namens Aufdampfen vertieft hatte, patentierte Bates eine Methode, mit der er dasselbe für Diamanten tun konnte. Das Konzept ist einfach: Diamantkorn, ein preiswertes Industrieprodukt, wird mit verdampftem C60-Fulleren – einem fußballförmigen Käfig aus 60 Kohlenstoffatomen – in eine Form gepackt. Dann wird das Ganze mit einem Laserstrahl bestrahlt. Das Fulleren bricht auseinander, und der Kohlenstoff kondensiert zwischen den Diamantpartikeln, wodurch diese zu einer relativ festen Masse verschmelzen.
Selbst wenn sich die Methode als technisch und wirtschaftlich machbar erweist, wäre das resultierende Material porös, und niemand weiß wirklich, welche Eigenschaften poröser Diamant hätte. In einem ersten Schritt muss Bates einen gepulsten Laser im Wert von 100.000 Dollar erwerben. Aber wenn es funktioniert? Stellen Sie sich Diamantfundamente unter Ihrem Haus, Diamantträger in Wolkenkratzern, Diamantknochen in Ihren Beinen und Diamantteile für Flugzeuge und Raumschiffe vor. Aber planen Sie kein Haus, das nur aus Diamanten besteht – Wände aus dem besten Wärmeleiter der Welt würden für ein ziemlich kühles Haus sorgen. -Ted Greenwald