Suuri idea 1: Tee lentokoneista ladattavia
Tesla. Prius. Volt. Autoteollisuus on täynnä radikaaleja uusia malleja, jotka vähentävät autoilun ympäristövaikutuksia. Lentokoneteollisuus on parantanut polttoainetehokkuutta asteittain vuosikymmenien ajan, mutta se on ylittämässä nykyisten mallien potentiaalin ja joutuu pian keksimään yhtä mullistavan uudelleenajattelun. Ja sen on toimittava nopeasti. Lentomatkustaminen kasvaa räjähdysmäisesti – yli kaksinkertaistuu vuoteen 2031 mennessä – kehitysmaiden vaurastuessa. Tämä kasvu voi syödä kaikki muut parannukset, joita voimme tehdä autojen tai energiaverkkojen puhdistamisesta.
On olemassa useita tapoja puuttua ongelmaan. NASA miettii lentokoneiden suunnittelua uudelleen sponsoroimalla silmiä hiveleviä konsepteja, kuten MIT:n D-sarjaa, jossa kaksisylinterinen runko mahdollistaa taakse asennetut moottorit ja noin 50 prosentin polttoaineen kokonaisvähennyksen. (Ne ovat myös paljon hiljaisempia.) Älykkäämmät navigointijärjestelmät voisivat antaa lentoyhtiöille mahdollisuuden lentää lyhyempiä ja suorempia lentoreittejä. Slovenialainen Pipistrel-yritys on kehittänyt nelipaikkaisen sähkökäyttöisen lentokoneen, jonka kilometrimäärä on kaksinkertainen vastaavaan koneeseen verrattuna. ”Kaikki nämä teknologiat yhdistyvät ja tuottavat valmiuksia, joita ei voitu kuvitella 10 vuotta sitten”, sanoo NASAn ilmailututkimuksen apulaisjohtaja David Hinton. Taivas on rajana. -Clive Thompson
Suuri idea 2: Polttoainetta planeetalle mikrokoneilla
Harry Gray tuntee elektronit. Caltechin kemisti havaitsi vuonna 1982, että elektronit ”tunneloituvat” – liukuvat pitkien molekyyliketjujen yli – proteiinien läpi. Tämä temppu osoittautuu elämän elävöittäväksi henkäykseksi; sen avulla elävät olennot muuttavat energian käyttökelpoiseksi, aina kasveista, jotka lukitsevat auringonvalon energian soluihinsa, ja lähes kaikista elämänmuodoista, jotka polttavat polttoaineita, kuten glukoosia, tuottaakseen energiaa. Tämän kaiken mahdollistavat metalloproteiineiksi kutsutut hybridimolekyylit, joissa yhdistyvät proteiinien joustavuus ja metallien kyky katalysoida kemiallisia reaktioita.
Kun Gray keksi tämän, hän oli jo kiinnostunut aurinkoenergiasta. Jos yrittäisi kehittää lähes loputtomasti uusiutuvan energiageneraattorin, hän tajusi, että voisi yrittää kaapata fotosynteesin kaltaisen metalloproteiinivetoisen järjestelmän. Mutta se ei onnistuisi. Biologinen koneisto on liian hauras ja tehoton – ja se on syntetisoitava uudelleen muutaman minuutin välein, jotta se toimisi.
Jos haluaa molekyylikoneen, joka tuottaa energiaa tehokkaasti ja luotettavasti, Gray sanoo, se on rakennettava itse. Hän ja hänen kollegansa visioivat mikromittakaavan akkuja, joiden toisessa päässä on metallioksideja ja toisessa piitä ja jotka rakentuvat kuten kasvien solukalvojen metalloproteiinirakenteet. Metallioksidit imisivät auringonvalon sinisiä aallonpituuksia ja käyttäisivät energiaa meriveden jakamiseen hapeksi ja protoneiksi, ja pii imisi punaista valoa ja yhdistäisi protonit elektroneihin. Tämä on ovelaa, sillä elektroniin yhdistetty protoni on itse asiassa vetyä, jota voidaan käyttää polttoaineena. Lyhyempi versio: vapaata vetyä auringonvalosta. ”Koko työmme pääpaino on siinä, että keksimme molekyylejä tai materiaaleja, jotka ovat hyvin kestäviä”, hän sanoo, ”ja jotka kestävät pitkään aurinkopolttoainevoimaloissa.”
Se saattaa jopa toimia. Keinotekoiset vedenjakajat ovat jo nyt 10 kertaa tehokkaampia kuin luonnollinen fotosynteesi, vaikka skaalautuminen on vielä vuosikymmenien päässä, kun tutkijat etsivät uusia katalyyttejä kemian käyttövoimaksi. (Nykyisin käytetyt eksoottiset metallit ovat kalliita ja myrkyllisiä.) Gray on silti optimistinen. ”Luonnollisen järjestelmän oli rakennettava jotain, joka voisi todella elää”, hän sanoo. ”Meidän täytyy vain valmistaa polttoainetta.” Ja pelastaa planeetta. -Thomas Hayden
Suuri idea 3: Ruiskuta Wi-Fi-pisteitä kaikkialle
Koko mobiilitalous perustuu hataraan olettamukseen – siihen, että voimme käyttää mobiiliverkkoa milloin ja missä haluamme, yhä nopeammin. Todellisuus ei ole yhtä ruusuinen: AT&T:n ja Verizonin kaltaiset matkapuhelinoperaattorit ovat jo lopettaneet rajoittamattomien datapakettiensa tarjoamisen, ja kamppailu kaistanleveydestä tulee olemaan vieläkin rasittavampaa, kun tablettien ja älypuhelinten määrä jatkaa räjähdysmäistä kasvuaan.
Rajoitetut käyttömahdollisuudet ovat muutakin kuin pelkkä riesa, vaan se on kuolettava uhka innovaatioille. Vuoteen 2020 mennessä langattoman teknologian maailmanlaajuisen vaikutuksen odotetaan olevan 4,5 biljoonaa dollaria. Kasvu riippuu kuitenkin kyvystämme skaalautua. Tarvitsemme pääsyn, joka vastaa sitä vaativien laitteiden määrää.
Helposti saatavilla oleva Wi-Fi voisi auttaa korjaamaan tämän ongelman. Internet- ja puhelinyhtiöt ovat jo alkaneet ottaa käyttöön tiheään asutuilla alueilla pieniä soluja – periaatteessa pieniä matkapuhelinmastoja, jotka palvelevat Wi-Fi:tä yhdessä 4G:n kanssa. Näillä yrityksillä ei kuitenkaan ole juurikaan kannustimia rakentaa massiivista infrastruktuuria, jota tarvittaisiin muun maailman yhdistämiseen.
Yksi yritys on keksinyt ainutlaatuisen rohkean ratkaisun – Wi-Fi-antennin suihkepurkissa. Chamtech Enterprises on kehittänyt miljoonilla nanokondensaattoreilla täytetyn nesteen, joka pinnalle ruiskutettuna pystyy vastaanottamaan radiosignaaleja paremmin kuin tavallinen metallitanko. Reitittimen avulla Chamtechin antennit voivat kommunikoida kuituverkon kanssa, vastaanottaa kohdennettujen satelliittien signaaleja ja muodostaa läheisten solmukohtien kanssa ketjun, joka voi muodostaa edullisista, laajakaistaisista Wi-Fi-pisteistä koostuvan mesh-verkon. Koska antennit voidaan maalata mihin tahansa pintaan, ei olisi mitään NIMBY-ismiä, joka tervehtii jokaista uutta matkapuhelinmastoa. Jos tämä ei ole tarpeeksi fantastista, kokeile tätä: Ei enää AT&T:n kiroilua. -Rachel Swaby
Suuri idea 4: Muutetaan aavikot voimalaitoksiksi
Älä ajattele Saharan kaltaisia kuivia alueita autioina erämaina. Ajattele niitä lähes rajattomina puhtaan energian lähteinä. Maapallon aavikot imevät kuudessa valoisassa tunnissa enemmän energiaa kuin ihmiskunta käyttää vuodessa. Nyt epätodennäköinen yhteenliittymä poliitikkoja, tiedemiehiä ja taloustieteilijöitä eri puolilta Välimerta on laatinut suunnitelman sen hyödyntämiseksi. ”Desertec-ohjelmaan kuuluisi satoja neliökilometrejä tuuli- ja aurinkovoimaloita maailman aavikoilla, jotka kytkettäisiin sähköverkkoihin, jotta luotettavaa, uusiutuvaa ja kohtuuhintaista sähköä saataisiin enemmän auringonvaloa tarvitseville alueille. Suunnittelijat toivovat saavansa aurinkoenergian kulkemaan ensin Pohjois-Afrikasta Eurooppaan. Arviolta 1 300 neliökilometriä Pohjois-Afrikan aavikkoa voisi tuottaa 20 prosenttia Euroopan energiantarpeesta vuoteen 2050 mennessä. ”Kaikki tarpeellinen Desertec-konseptin toteuttamiseksi on jo olemassa”, säätiön toinen johtaja Thiemo Gropp sanoo. Kuten useimmissa massiivisissa infrastruktuurihankkeissa, suurimmat haasteet ovat poliittisia. Pohjois-Afrikan johtajat pitävät Desertecia työpaikkojen luojana, mutta arabikevät jätti sijoittajat epävarmoiksi alueen pitkän aikavälin vakaudesta. Euroopan talouskriisi on vienyt julkisten töiden rahoituksen, ja maanosa on yhteensopimattomien sähköverkkojen ja säädösten sekamelska. Desertec-konsepti voisi silti toimia. Yhdeksänkymmentä prosenttia maailman väestöstä asuu 800 kilometrin säteellä aavikosta. Kiinan kaupungit voisivat saada sähköä Gobista, ja Etelä-Amerikka voisi käyttää linjoja Atacamasta. Missä on valoa, siellä on toivoa.
-Andrew Curry
Suuri idea 5: Laita digitaaliset näytöt silmiisi
Älypuhelimet ovat antaneet meille jatkuvan yhteyden maailman tietoon. Mutta tiedon saaminen edellyttää, että tuijotamme laitteitamme, jolloin olemme alttiita kolareille ja ärsyyntyneille ruokailukumppaneille. Entä jos voisimme käyttää kaikkea tätä tietoa saumattomasti vaarantamatta henkeämme tai ystävyyssuhteitamme?
Googlen perustajat ovat puhuneet suorasta yhteydestä aivoihin jo vuodesta 2002 lähtien. Toistaiseksi lähimmäksi he ovat päässeet Google Glass -prototyypillä, joka on silmälasit, jotka heijastavat tietoa heads-up-näytölle, joka näkyy vain käyttäjälle. Project Glassin perustaja Babak Parviz, joka on myös Washingtonin yliopiston apulaisprofessori, toivoo kuitenkin voivansa mennä askeleen pidemmälle. Hänen mukaansa pitkän aikavälin suunnitelmana on luopua tilaa vievistä laseista ja rakentaa mikrojärjestelmä piilolinssiin. Hän uskoo, että nämä linssit, jotka käyttävät vain muutaman hiuskarvan levyisiä radiolinssejä, voivat lisätä todellisuutta ja samalla poistaa tarpeen puhelinten, tietokoneiden ja laajakuvatelevisioiden näytöille. ”Näytöt tuottavat vain kuvion verkkokalvolle”, Parviz sanoo. ”Joten jos sinulla on piilolinssi, joka tekee sen, et tarvitse enää mitään näistä näytöistä.” Plussaa: linssit voisivat toimia pysyvänä terveydentilan seurantalaitteena, joka käyttää pieniä bioantureita silmän solujen analysointiin. -S.L.
Suuri idea 6: Julistetaan sota saapuville asteroideille
Elokuvassa Armageddon tehtiin kaksi asiaa oikein: Ensinnäkin, olemme surullisen valmistautumattomia saapuvaan asteroidiin. Ja toiseksi? Oikea työkalu oikeaan työhön. ”Bruce Willis antoi erittäin merkittävän panoksen planeettojen puolustukseen”, sanoo Bong Wie, Iowan osavaltionyliopiston asteroidien torjunnan tutkimuskeskuksen johtaja. Armageddon auttoi nimittäin popularisoimaan teorian maanalaisista räjähdyksistä. Ja Wieillä on ohjus – Hyper-Velocity Asteroid Intercept Vehicle – joka tekee sellaisen. Edessä: ”kineettisen energian sieppaaja”. Takana: ydinpommi. Kineettinen osa ajaa kiveen, ja pommi räjäyttää sen palasiksi. NASA:n mielestä se kuulosti hyvältä, ja virasto myönsi Wieille 100 000 dollarin apurahan. Suunnitelmassa käsitellään yhtä avaruuspommien suurimmista puutteista. Pommin iskeytyminen asteroidin pintaan johtaisi siihen, että halkeamiskelpoinen materiaali sulaisi ennen kuin se voisi räjähtää, eikä räjähdys tuhoaisi kohdetta. HAIV sijoittaa pommin kiven sisälle, jossa se aiheuttaa maanpinnan tärähdyksiä, jotka suurentavat räjähdyksen voiman kaksikymmenkertaiseksi. Wie aikoo testata järjestelmää ilman ydinpommia vuoden 2020 tienoilla, mutta hän sanoo voivansa saada sellaisen ilmaan alle vuodessa, jos törmäys näyttäisi olevan lähellä. ”Monet ihmiset yhteisössämme ajattelevat, että kun tarvitsemme sitä, voimme vain koota järjestelmän, josta minä puhun”, Wie sanoo. Se maksaisi 500 miljoonaa dollaria, mutta se on muutama tähtipölynjyvä verrattuna tuntemamme sivilisaation loppumiseen (ja 50 miljoonaa dollaria vähemmän kuin Armageddonin maailmanlaajuinen lipputulo).
-Ben Paynter
Suuri idea 7: Rakenna pilvenpiirtäjiä timanteista
Se on yksi maailmankaikkeuden kovimmista materiaaleista. Se on täysin kirkas, lähes kitkaton, kemiallisesti inertti ja erinomainen lämmönjohdin. Ja se on tehty yhdestä yleisimmistä alkuaineista: hiilestä. Timantti – oikeastaan pelkkä hiilikide – on erittäin hyödyllinen mikroelektroniikan ja vedenkäsittelyn aloilla. Valitettavasti suuret timantit ovat myös erittäin harvinaisia. Mutta kuvittele, jos timantit olisivat yhtä yleisiä kuin teräs.
Stephen Bates saattaa saada sen tapahtumaan. Työskenneltyään muun muassa NASA:ssa ja Princetonin yliopistossa 64-vuotias tutkijakonkari vietti muutaman vuoden General Motorsilla, jossa hän rakensi safiirista läpinäkyvän mäntämoottorin, josta saatiin ennennäkemätön näkymä liekkien ja kaasujen virtaukseen. Tämä safiirimoottori sai Batesin miettimään timanttia. ”Kaikki, mitä safiirilla voi tehdä, toimisi paremmin timantilla, jos siihen olisi varaa”, Bates sanoo.
Syvennyttyään tutkimukseen, joka koski kiteiden synteesiä ohuissa kalvoissa höyrypinnoitukseksi kutsutun prosessin avulla, Bates patentoi menetelmän, jolla sama voidaan tehdä timanteille. Konsepti on yksinkertainen: Pakkaa timanttihiekka, edullinen teollisuustuote, muottiin, jossa on höyrystettyä C60-fullereenia – 60 hiiliatomista koostuvaa jalkapallon muotoista häkkiä. Sitten koko asia räjäytetään lasersäteellä. Fullereeni hajoaa, ja hiili tiivistyy timanttihiukkasten väliin, jolloin ne sulautuvat tehokkaasti suhteellisen kiinteäksi massaksi.
Vaikka menetelmä osoittautuisikin teknisesti ja taloudellisesti toteuttamiskelpoiseksi, tuloksena syntyvä materiaali olisi huokoista, eikä kukaan oikeastaan tiedä, millaisia ominaisuuksia huokoisella timantilla olisi. Ensimmäinen askel on, että Bates hankkii 100 000 dollarin pulssilaserin. Mutta jos se toimii? Kuvittele timanttiset perustukset kotisi alla, timanttiset palkit pilvenpiirtäjissä, timanttiset luut jaloissasi ja timanttiset osat lentokoneissa ja avaruusaluksissa. Älä vain suunnittele kokonaan timanttitaloa – maailman parhaasta lämmönjohtimesta tehdyistä seinistä tulisi aika viileä paikka. -Ted Greenwald