Groot Idee 1: Maak Vliegtuigen Oplaadbaar
Tesla. Prius. Volt. De auto-industrie zit vol met radicale nieuwe ontwerpen die de milieu-impact van autorijden verminderen. De vliegtuigindustrie verbetert al tientallen jaren stap voor stap de brandstofefficiëntie, maar het potentieel van de huidige ontwerpen is bijna opgebruikt en zal binnenkort met een soortgelijke transformatieve heroverweging moeten komen. En het moet snel gaan. Het luchtverkeer zal exploderen – meer dan verdubbelen tegen 2031 – naarmate de ontwikkelingslanden welvarender worden. Die groei zou alle andere verbeteringen die we kunnen aanbrengen, zoals het schoonmaken van auto’s of energienetwerken, kunnen wegvreten.
Er zijn een aantal manieren om het probleem aan te pakken. NASA is het heroverwegen van vliegtuigontwerp door het sponsoren van oogverblindende concepten zoals de MIT D-serie-in die een dubbele-cilinder lichaam maakt het mogelijk achterin gemonteerde motoren en een totale brandstofbesparing van ongeveer 50 procent. (Ze zijn ook veel stiller.) Met slimmere navigatiesystemen zouden luchtvaartmaatschappijen kortere, directere vliegroutes kunnen vliegen. En kleine, korteafstandsvliegtuigen zouden uiteindelijk elektrisch kunnen worden: het Sloveense bedrijf Pipistrel heeft een elektrische vierzitter ontwikkeld, die twee keer zoveel kilometers kan maken als een soortgelijk vliegtuig. “Al deze technologieën komen samen om mogelijkheden te creëren die tien jaar geleden nog ondenkbaar waren,” zegt David Hinton, NASA’s adjunct-directeur voor luchtvaartonderzoek. The sky’s the limit. -Clive Thompson
Groot Idee 2: De planeet van brandstof voorzien met Micromachines
Harry Gray kent zijn elektronen. In 1982 ontdekte de chemicus van Caltech dat elektronen “tunnelen” – over lange ketens van moleculen heen glijden – door eiwitten. Deze truc blijkt de bezielende adem van het leven te zijn; het is de manier waarop levende wezens energie omzetten in iets dat zij kunnen gebruiken, van planten die de energie van zonlicht in hun cellen opslaan tot vrijwel elke levensvorm die brandstoffen zoals glucose verbrandt om energie te maken. Het wordt allemaal mogelijk gemaakt door hybride moleculen die metalloproteïnen worden genoemd en die de vormveranderlijke flexibiliteit van proteïnen combineren met het vermogen van metalen om chemische reacties te katalyseren.
Toen Gray dit uitvogelde, was hij al geïnteresseerd in zonne-energie. Als je probeerde een bijna oneindig hernieuwbare energiegenerator te ontwikkelen, realiseerde hij zich, zou je kunnen proberen een door metalloproteïnen aangedreven systeem als fotosynthese te kapen. Maar dat zou niet werken. Biologische machines zijn te kwetsbaar en inefficiënt, en moeten om de paar minuten opnieuw worden gesynthetiseerd om te werken.
Als je een moleculaire machine wilt die efficiënt en betrouwbaar stroom opwekt, moet je die zelf bouwen, zegt Gray. Hij en zijn collega’s stellen zich microscopische batterijen voor met metaaloxiden aan de ene kant en silicium aan de andere kant, gebouwd zoals metalloproteïne-arrays in plantencelmembranen. De metaaloxiden zouden blauwe golflengten van het zonlicht absorberen en de energie gebruiken om zeewater te splitsen in zuurstof en protonen, en het silicium zou rood licht absorberen en de protonen combineren met elektronen. Dat is slim, want een proton gecombineerd met een elektron is eigenlijk waterstof, dat als brandstof kan worden gebruikt. Kortere versie: gratis waterstof uit zonlicht. “De hele nadruk van ons werk ligt op het bedenken van moleculen of materialen die zeer robuust zijn,” zegt hij, “en lang meegaan in zonnebrandstofcentrales.”
Het zou zelfs kunnen werken. Kunstmatige watersplitsers zijn al tien keer efficiënter dan natuurlijke fotosynthese, maar het is nog tientallen jaren wachten op schaalvergroting, omdat onderzoekers op zoek zijn naar nieuwe katalysatoren om de chemie aan te sturen. (De exotische metalen die ze nu gebruiken zijn prijzig en giftig.) Toch is Gray optimistisch. “Het natuurlijke systeem moest iets bouwen dat echt kon leven,” zegt hij. “Het enige wat wij moeten doen is brandstof maken.” Oh, en de planeet redden. -Thomas Hayden
Groot Idee 3: Spuit Wi-Fi-hotspots op alles
De hele mobiele economie is gebaseerd op een wankele aanname – namelijk dat we in staat zullen zijn om toegang te krijgen tot het mobiele web, waar en wanneer we dat willen, met steeds hogere snelheden. De realiteit is niet zo rooskleurig: we hebben al gezien dat mobiele providers als AT&T en Verizon stoppen met het aanbieden van hun onbeperkte data-abonnementen – en de strijd om bandbreedte zal nog harder worden naarmate het aantal tablets en smartphones blijft exploderen.
Beperkte toegang is meer dan alleen een ergernis, het is een dodelijke bedreiging voor innovatie. Tegen 2020 zal draadloze technologie naar verwachting een wereldwijde impact hebben van 4,5 biljoen dollar. Maar groei hangt af van ons vermogen om op te schalen. We hebben toegang nodig die past bij het aantal apparaten dat erom vraagt.
Gereed beschikbare Wi-Fi zou kunnen helpen dat probleem op te lossen. Internet- en telefoonbedrijven zijn al begonnen met het uitrollen van kleine cellen – in wezen kleine mobiele telefoontorens die Wi-Fi bedienen samen met 4G – in dichtbevolkte gebieden. Maar deze bedrijven hebben weinig animo om de enorme infrastructuur uit te bouwen die nodig is om de rest van de wereld aan te sluiten.
Een bedrijf is met een unieke, gewaagde oplossing gekomen: een Wi-Fi-antenne in een spuitbus. Chamtech Enterprises heeft een vloeistof ontwikkeld die gevuld is met miljoenen nano-condensatoren, die wanneer ze op een oppervlak worden gespoten radiosignalen beter kunnen ontvangen dan een standaard metalen staaf. Met een router kunnen de antennes van Chamtech communiceren met een glasvezelnetwerk, signalen ontvangen van gerichte satellieten en een serie verbindingen opzetten met nabijgelegen knooppunten, waardoor mogelijk een vermaasd netwerk van goedkope breedband-WiFi-hotspots ontstaat. Omdat de antennes op elk oppervlak kunnen worden geschilderd, zou er geen sprake zijn van het NIMBY-isme waarmee elke nieuwe gsm-mast wordt begroet. Als dat nog niet fantastisch genoeg is, probeer dit dan eens: Geen gevloek meer op AT6895>T. -Rachel Swaby
Groot Idee 4: Verander Woestijnen in Energiecentrales
Denk niet aan dorre vlaktes zoals de Sahara als desolate woestenijen. Zie ze als bijna oneindige bronnen van schone energie. In zes daglicht uren, absorberen de woestijnen van de aarde meer energie dan de mensheid in een jaar verbruikt. Een onwaarschijnlijk consortium van politici, wetenschappers en economen uit het hele Middellandse Zeegebied heeft een plan om deze energie te benutten. “Desertec” zou honderden vierkante kilometers aan wind- en zonne-energiecentrales in de woestijnen van de wereld omvatten, die aan elektriciteitsnetten worden gekoppeld om betrouwbare, hernieuwbare en betaalbare stroom naar meer door de zon geteisterde regio’s te leiden. De plannenmakers hopen eerst zonne-energie van Noord-Afrika naar Europa te krijgen. Een gebied van naar schatting 1300 vierkante kilometer Noord-Afrikaanse woestijn zou in 2050 20% van de Europese energiebehoefte kunnen dekken. “Alles wat nodig is om het Desertec-concept te realiseren, is er al,” zegt Thiemo Gropp, mededirecteur van de stichting. Zoals bij de meeste grootschalige infrastructuurprojecten, zijn de grootste uitdagingen van politieke aard. Noord-Afrikaanse leiders zien Desertec als een banenmotor, maar de Arabische lente heeft investeerders onzeker gemaakt over de stabiliteit van de regio op lange termijn. Door de economische crisis in Europa zijn de financiële middelen voor openbare werken uitgeput, en het continent is een wirwar van incompatibele energienetwerken en voorschriften. Toch zou het Desertec-concept kunnen worden toegepast. Negentig procent van de wereldbevolking woont binnen een straal van 1800 mijl van een woestijn. China’s steden zouden gevoed kunnen worden door de Gobi; Zuid-Amerika zou lijnen kunnen trekken van de Atacama. Waar licht is, is hoop.
-Andrew Curry
Groot Idee 5: Plaats digitale displays in je ogen
Smartphones hebben ons een permanente verbinding met de informatie van de wereld gegeven. Maar om toegang tot die informatie te krijgen, moeten we naar onze gadgets staren, wat ons vatbaar maakt voor botsingen en gekrenkte tafelgenoten. Wat als we al die informatie naadloos konden aftappen, zonder ons leven of vriendschappen op het spel te zetten?
De medeoprichters van Google praten al sinds 2002 over een directe lijn in onze hersenen. Tot nu toe zijn ze het dichtst in de buurt gekomen met het prototype Google Glass, een bril die informatie projecteert op een heads-up display, alleen zichtbaar voor de drager. Maar Babak Parviz, de oprichter van Project Glass, die tevens universitair hoofddocent is aan de Universiteit van Washington, hoopt nog een stap verder te gaan. Hij stelt een langetermijnplan voor om de lompe bril af te schaffen en een microsysteem op een contactlens te bouwen. Door gebruik te maken van radio’s die niet breder zijn dan een paar mensenharen, denkt hij dat deze lenzen de werkelijkheid kunnen verrijken en de noodzaak van displays op telefoons, PC’s en breedbeeld-TV’s kunnen wegnemen. “Het enige wat die schermen doen is een patroon op je netvlies genereren,” zegt Parviz. “Dus als je een contactlens hebt die dat doet, heb je geen van die displays meer nodig.” Een bonus: de lenzen zouden kunnen fungeren als een permanente gezondheidsmonitor, die minuscule biosensoren gebruikt om de cellen van je oog te analyseren.
Groot Idee 6: verklaar de oorlog aan binnenkomende asteroïden
De film Armageddon heeft twee dingen goed: Ten eerste: we zijn totaal niet voorbereid op een inkomende asteroïde. En ten tweede? Het juiste gereedschap voor de juiste klus. “Bruce Willis heeft een belangrijke bijdrage geleverd aan de verdediging van onze planeet,” zegt Bong Wie, directeur van het Asteroid Deflection Research Center aan de Iowa State University. Armageddon hielp om de theorie van ondergrondse explosies populair te maken. En Wie heeft een raket – de Hyper-Velocity Asteroid Intercept Vehicle – die er een maakt. Aan de voorkant: een “kinetische energie onderschepper.” Achteraan: een atoombom. Het kinetische deel rijdt in de rots, en de bom blaast het allemaal op. Hé, het klonk goed voor NASA; het agentschap gaf Wie een subsidie van 100.000 dollar. Het ontwerp pakt een van de grootste tekortkomingen van kernwapens in de ruimte aan. Een bom tegen het oppervlak van een asteroïde laten smelten zou het splijtbare materiaal doen smelten voor het kan ontploffen, en een stand-off ontploffing zou het doelwit niet vernietigen. De HAIV plaatst de bom in het gesteente, waar hij aardschokken teweegbrengt, waardoor de kracht van de ontploffing vertwintigvoudigd wordt. Wie wil het systeem, zonder kernbom, rond 2020 testen, maar hij zegt dat hij er in minder dan een jaar een de lucht in kan krijgen als een botsing op handen lijkt. “Veel mensen in onze gemeenschap denken dat wanneer we het nodig hebben, we het systeem waarover ik het heb gewoon kunnen monteren,” zegt Wie. Het zou 500 miljoen dollar kosten, maar dat is een paar korrels sterrenstof vergeleken met het einde van de beschaving zoals wij die kennen (en 50 miljoen dollar minder dan de wereldwijde box office-opbrengst van Armageddon).
-Ben Paynter
Groot Idee 7: Bouw wolkenkrabbers van diamanten
Het is een van de hardste materialen in het universum. Het is volkomen helder, vrijwel wrijvingsloos, chemisch inert en een uitstekende geleider van warmte. En het is gemaakt van een van de meest voorkomende elementen: koolstof. Diamant, eigenlijk gewoon koolstofkristal, is buitengewoon nuttig op gebieden van micro-elektronica tot waterzuivering. Helaas zijn grote diamanten ook uiterst zeldzaam. Maar stel je voor dat het spul net zo alomtegenwoordig zou zijn als staal. Dat zou Stephen Bates wel eens kunnen realiseren. Naast het werken voor plaatsen als NASA en Princeton, heeft de 64-jarige wetenschapper een paar jaar bij General Motors gewerkt, waar hij een transparante zuigermotor bouwde met behulp van saffier, wat een ongekend beeld opleverde van de stroming van vlammen en gassen. Die saffieren motor zette Bates aan het denken over diamant. “Alles wat je met saffier kunt doen, zou beter werken met diamant, als je het je kon veroorloven,” zegt hij.
Nadat hij zich had verdiept in onderzoek naar de synthese van kristallen in dunne films via een proces dat dampdepositie wordt genoemd, patenteerde Bates een methode om hetzelfde te doen voor diamanten. Het concept is eenvoudig: Verpak diamantgruis, een goedkoop industrieel product, in een mal met verdampt C60 fullereen – een voetbalvormige kooi van 60 koolstofatomen. Dan blaas je het geheel op met een laserstraal. Het fullereen breekt uiteen en koolstof condenseert tussen de diamantdeeltjes, waardoor ze versmelten tot een relatief vaste massa.
Zelfs als de methode technisch en economisch haalbaar blijkt, zou het resulterende materiaal poreus zijn, en niemand weet echt welke eigenschappen poreuze diamant zou hebben. Stap één is dat Bates een gepulseerde laser van $100.000 aanschaft. Maar als het werkt? Stel je diamanten funderingen voor onder je huis, diamanten liggers in wolkenkrabbers, diamanten botten in je benen en diamanten onderdelen voor vliegtuigen en ruimteschepen. Plan alleen geen huis dat helemaal van diamant gemaakt is. Muren die gemaakt zijn van ’s werelds beste warmtegeleider zouden een behoorlijk kille plek opleveren. -Ted Greenwald