Big Idea 1: Make Airplanes Rechargeable
Tesla. Prius. Volt. Przemysł samochodowy jest pełen radykalnych nowych projektów, które zmniejszają wpływ jazdy na środowisko. Przemysł lotniczy od dziesięcioleci sukcesywnie poprawia wydajność paliwową, ale jego potencjał jest już maksymalnie wykorzystany i wkrótce będzie musiał dokonać podobnej transformacji. I musi to zrobić szybko. Podróże lotnicze mają gwałtownie wzrosnąć – ponad dwukrotnie do 2031 roku – w miarę jak kraje rozwijające się będą coraz bardziej zamożne. Ten wzrost może pochłonąć wszelkie inne ulepszenia, które możemy wprowadzić od czyszczenia samochodów lub sieci energetycznych.
Istnieje wiele sposobów na rozwiązanie tego problemu. NASA ponownie rozważa projekt samolotu, sponsorując niesamowite koncepcje, takie jak MIT D Series – w których dwucylindrowe nadwozie pozwala na zamontowanie silników z tyłu i zmniejszenie zużycia paliwa o około 50 procent. (Mądrzejsze systemy nawigacyjne pozwolą liniom lotniczym latać krótszymi, bardziej bezpośrednimi trasami. A małe samoloty krótkiego zasięgu mogą w końcu stać się elektryczne: słoweńska firma Pipistrel opracowała elektryczny czteromiejscowy samolot o dwukrotnie większym przebiegu niż podobne maszyny. „Wszystkie te technologie zbiegają się, dając możliwości, których nie można było sobie wyobrazić 10 lat temu” – mówi David Hinton, zastępca dyrektora NASA ds. badań aeronautycznych. The sky’s the limit. -Clive Thompson
Big Idea 2: Napędzaj planetę mikromaszynami
Harry Gray zna się na elektronach. W 1982 r. chemik z Caltech odkrył, że elektrony „tunelują” – przeskakują przez długie łańcuchy molekuł – przez białka. Ta sztuczka okazuje się być ożywczym tchnieniem życia; to w ten sposób żywe organizmy przekształcają energię w coś, co mogą wykorzystać, od roślin zamykających energię światła słonecznego w swoich komórkach do prawie każdej formy życia spalającej paliwa, takie jak glukoza, aby wytworzyć energię. Wszystko to jest możliwe dzięki hybrydowym cząsteczkom zwanym metaloproteinami, które łączą zmiennokształtną elastyczność białek ze zdolnością metali do katalizowania reakcji chemicznych.
Gdy Gray to odkrył, był już zainteresowany energią słoneczną. Zrozumiał, że jeśli próbowałbyś opracować niemal nieskończenie odnawialny generator energii, mógłbyś spróbować porwać system napędzany przez metaloproteiny, taki jak fotosynteza. Ale to by się nie udało. Biologiczna maszyneria jest zbyt krucha i nieefektywna – i musi być resyntetyzowana co kilka minut, aby działać.
Jeśli chcesz molekularnej maszyny, która będzie wytwarzać energię wydajnie i niezawodnie, Gray mówi, że musisz zbudować ją sam. On i jego koledzy wyobrażają sobie mikroskalowe baterie z tlenkami metali na jednym końcu i krzemem na drugim, zbudowane jak matryce metaloproteinowe w błonach komórkowych roślin. Tlenki metali pochłaniałyby niebieskie fale światła słonecznego i wykorzystywały energię do rozszczepienia wody morskiej na tlen i protony, a krzem pochłaniałby światło czerwone i łączył protony z elektronami. To sprytne, bo proton połączony z elektronem to w rzeczywistości wodór, który może być użyty jako paliwo. Krótsza wersja: darmowy wodór z światła słonecznego. „Cały nacisk w naszej pracy kładziemy na wymyślanie cząsteczek lub materiałów, które są bardzo wytrzymałe”, mówi, „i będą działać przez długi czas w elektrowniach słonecznych.”
To może nawet zadziałać. Sztuczne rozszczepiacze wody są już 10 razy bardziej wydajne niż naturalna fotosynteza, choć do zwiększenia skali brakuje jeszcze dziesięcioleci, ponieważ naukowcy poszukują nowych katalizatorów do napędzania chemii. (Egzotyczne metale, których używają obecnie, są drogie i toksyczne). Mimo to Gray jest optymistą. „Naturalny system musiał zbudować coś, co mogło żyć” – mówi. „Wszystko, co musimy zrobić, to wyprodukować paliwo”. Aha, i uratować planetę. -Thomas Hayden
Big Idea 3: Rozpyl Hot Spoty Wi-Fi na wszystko
Cała gospodarka mobilna opiera się na niepewnym założeniu – że będziemy w stanie uzyskać dostęp do mobilnej sieci, kiedykolwiek i gdziekolwiek zechcemy, z coraz większą prędkością. Rzeczywistość nie jest tak różowa: Już widzieliśmy operatorów komórkowych, takich jak AT&T i Verizon, którzy przestali oferować swoje nieograniczone plany danych – a walka o przepustowość będzie jeszcze bardziej wyczerpująca, ponieważ liczba tabletów i smartfonów nadal eksploduje.
Limitowany dostęp jest czymś więcej niż tylko udręką, to śmiertelne zagrożenie dla innowacji. Oczekuje się, że do 2020 roku wpływ technologii bezprzewodowych na świecie wyniesie 4,5 biliona dolarów. Ale wzrost zależy od naszej zdolności do skalowania. Potrzebujemy dostępu odpowiadającego liczbie urządzeń, które go wymagają.
Dostępna sieć Wi-Fi może pomóc rozwiązać ten problem. Firmy internetowe i telefoniczne już zaczynają rozmieszczać małe komórki – czyli małe wieże telefonii komórkowej, które obsługują Wi-Fi wraz z 4G w gęsto zaludnionych obszarach. Ale firmy te mają niewielką motywację do budowania ogromnej infrastruktury wymaganej do połączenia reszty świata.
Jedna firma wymyśliła wyjątkowo śmiałe rozwiązanie – antenę Wi-Fi w puszce sprayu. Chamtech Enterprises opracowała ciecz wypełnioną milionami nano-kondensatorów, które po rozpyleniu na powierzchni mogą odbierać sygnały radiowe lepiej niż standardowy metalowy pręt. Za pomocą routera, anteny firmy Chamtech mogą komunikować się z siecią światłowodową, odbierać sygnały z ukierunkowanych satelitów i tworzyć łańcuch łańcuchowy z pobliskimi węzłami, potencjalnie tworząc sieć kratową tanich, szerokopasmowych hot spotów Wi-Fi. Ponieważ anteny mogą być malowane na dowolnej powierzchni, nie byłoby żadnej z NIMBY-izm, który wita każdy nowy wieżowiec telefonii komórkowej. Jeśli to nie jest wystarczająco fantastyczne, spróbuj tego: Nie więcej przeklinanie AT&T. -Rachel Swaby
Wielki pomysł 4: Zamień pustynie w elektrownie
Nie myśl o jałowych przestrzeniach, takich jak Sahara, jako o bezludnych pustkowiach. Pomyśl o nich jako o niemal nieskończonych źródłach czystej energii. W ciągu sześciu godzin światła dziennego, ziemskie pustynie pochłaniają więcej energii niż ludzkość zużywa w ciągu roku. Teraz mało prawdopodobne konsorcjum polityków, naukowców i ekonomistów z całego basenu Morza Śródziemnego ma plan, jak ją wykorzystać. „Desertec” zakłada budowę setek kilometrów kwadratowych elektrowni wiatrowych i słonecznych na światowych pustyniach, podłączonych do sieci elektrycznych w celu dostarczenia niezawodnej, odnawialnej i niedrogiej energii do bardziej dotkniętych słońcem regionów. Planiści mają nadzieję, że energia słoneczna popłynie najpierw z Afryki Północnej do Europy. Szacuje się, że 1300 mil kwadratowych północnoafrykańskiej pustyni mogłoby zaspokoić 20 procent europejskiego zapotrzebowania na energię do 2050 roku. „Wszystko, co jest niezbędne do realizacji koncepcji Desertec, już tam jest” – mówi współdyrektor fundacji, Thiemo Gropp. Jak w przypadku większości ogromnych projektów infrastrukturalnych, największe wyzwania mają charakter polityczny. Północnoafrykańscy przywódcy widzą w Desertecu twórcę miejsc pracy, ale Arabska Wiosna pozostawiła inwestorów w niepewności co do długoterminowej stabilności regionu. Kryzys gospodarczy w Europie pochłonął fundusze na roboty publiczne, a kontynent jest plątaniną niekompatybilnych sieci energetycznych i przepisów. Mimo to, koncepcja Desertec może się udać. Dziewięćdziesiąt procent ludności świata żyje w promieniu 1800 mil od pustyni. Chińskie miasta mogłyby być zasilane z Gobi; Ameryka Południowa mogłaby poprowadzić linie z Atacamy. Gdzie jest światło, tam jest nadzieja.
-Andrew Curry
Wielki Pomysł 5: Umieść cyfrowe wyświetlacze w swoich oczach
Smartfony dały nam stały dostęp do informacji z całego świata. Ale faktyczny dostęp do tych informacji wymaga od nas wpatrywania się w nasze gadżety, przez co stajemy się podatni na stłuczki i wkurzonych współbiesiadników. Co by się stało, gdybyśmy mogli uzyskać dostęp do wszystkich tych informacji bezproblemowo, bez narażania naszego życia lub przyjaźni?
Założyciele Google mówią o bezpośredniej linii do naszych mózgów od 2002 roku. Jak dotąd najbliżej im do prototypu Google Glass, okularów, które wyświetlają informacje na wyświetlaczu head-up, widocznym tylko dla użytkownika. Ale Babak Parviz, założyciel Projektu Glass, który jest również profesorem nadzwyczajnym na Uniwersytecie Waszyngtońskim, ma nadzieję pójść o krok dalej. Sugeruje on dalekosiężny plan pozbycia się nieporęcznych okularów i zbudowania mikrosystemu na soczewce kontaktowej. Uważa on, że takie soczewki, wykorzystujące radia o szerokości nie większej niż kilka ludzkich włosów, mogą rozszerzać rzeczywistość i przy okazji wyeliminować potrzebę stosowania wyświetlaczy w telefonach, komputerach i telewizorach panoramicznych. „Jedyną rzeczą, jaką robią te wyświetlacze, jest generowanie wzoru na siatkówce oka” – mówi Parviz. „Więc jeśli masz soczewkę kontaktową, która to robi, nie potrzebujesz już żadnego z tych wyświetlaczy”. Bonus: soczewki mogłyby działać jako stały monitor zdrowia, wykorzystując maleńkie biosensory do analizy komórek oka. -S.L.
Wielki Pomysł 6: Wypowiedz wojnę nadlatującym asteroidom
Film Armageddon ma dwie rzeczy w porządku: Po pierwsze, jesteśmy żałośnie nieprzygotowani na nadlatujące asteroidy. A po drugie? Właściwe narzędzie do właściwej pracy. „Bruce Willis wniósł bardzo znaczący wkład w obronę planetarną” – mówi Bong Wie, dyrektor Centrum Badań nad Odbijaniem Asteroid na Uniwersytecie Stanowym Iowa. Armageddon pomógł spopularyzować teorię podpowierzchniowych eksplozji. Wie ma rakietę – Hyper-Velocity Asteroid Intercept Vehicle – która ją wytwarza. Z przodu: „przechwytywacz energii kinetycznej”. Z tyłu: bomba atomowa. Część kinetyczna wbija się w skałę, a bomba rozwala ją na kawałki. Hej, to brzmiało dobrze dla NASA; agencja przyznała Wie grant w wysokości 100 000 dolarów. Projekt rozwiązuje jedną z największych wad bomb atomowych w kosmosie. Uderzenie bomby w powierzchnię asteroidy spowodowałoby stopienie się materiału rozszczepialnego przed detonacją, a odosobniony wybuch nie zniszczyłby celu. HAIV umieszcza bombę wewnątrz skały, gdzie wywołuje ona wstrząsy gruntu, powiększając siłę wybuchu dwudziestokrotnie. Wie planuje przetestować system bez bomby atomowej około 2020 roku, ale twierdzi, że gdyby kolizja wydawała się nieuchronna, mógłby wystrzelić jedną w powietrze w czasie krótszym niż rok. „Wiele osób w naszej społeczności uważa, że kiedy tylko będziemy potrzebować, możemy po prostu zmontować system, o którym mówię” – mówi Wie. Kosztowałoby to 500 milionów dolarów, ale to kilka ziarenek gwiezdnego pyłu w porównaniu z końcem cywilizacji, jaką znamy (i o 50 milionów dolarów mniej niż światowy box office Armageddonu).
-Ben Paynter
Big Idea 7: Zbuduj drapacze chmur z diamentów
To jeden z najtwardszych materiałów we wszechświecie. Jest całkowicie przezroczysty, praktycznie beztarciowy, chemicznie obojętny i jest doskonałym przewodnikiem ciepła. I jest zbudowany z jednego z najbardziej powszechnych pierwiastków: węgla. Diament – tak naprawdę tylko kryształ węgla – jest niezwykle użyteczny w dziedzinach od mikroelektroniki po uzdatnianie wody. Niestety, duże diamenty są również niezmiernie rzadkie. Ale wyobraź sobie, jeśli rzeczy były tak wszechobecne jak stal.
Stephen Bates może po prostu sprawić, że tak się stanie. Oprócz pracy w takich miejscach jak NASA i Princeton, 64-letni czeladnik naukowy spędził kilka lat w General Motors, gdzie zbudował przezroczysty silnik tłokowy z szafiru, uzyskując bezprecedensowy widok przepływu płomieni i gazów. Ten szafirowy silnik sprawił, że Bates zaczął myśleć o diamencie. „Wszystko, co można zrobić z szafirem, działałoby lepiej z diamentem, gdybyś mógł sobie na to pozwolić”, mówi.
Po zagłębieniu się w badania nad syntezą kryształów w cienkich warstwach za pomocą procesu zwanego osadzaniem parowym, Bates opatentował metodę robienia tego samego dla diamentów. Koncepcja jest prosta: Zapakować diamentowy grys, niedrogi produkt przemysłowy, do formy z odparowanym fulerenem C60 – klatką w kształcie piłki nożnej składającą się z 60 atomów węgla. Następnie całość wysadzić w powietrze wiązką lasera. Fulleren rozpada się, a węgiel kondensuje się między cząstkami diamentu, skutecznie łącząc je w stosunkowo solid mass.
Nawet jeśli metoda okaże się technicznie i ekonomicznie wykonalne, wynikły materiał byłby porowaty, a nikt tak naprawdę nie wie, jakie właściwości porowaty diament będzie miał. Krok pierwszy jest dla Bates do nabycia 100.000 dolarów lasera impulsowego. Ale jeśli to zadziała? Wyobraź sobie diamentowe fundamenty pod twoim domem, diamentowe dźwigary w drapaczach chmur, diamentowe kości w twoich nogach i diamentowe części do samolotów i statków kosmicznych. Tylko nie planuj na wszystkich diamentów domu – ściany wykonane z najlepszych na świecie przewodników ciepła będzie dość chłodno miejsce. -Ted Greenwald