Stor idé 1: Gör flygplan uppladdningsbara
Tesla. Prius. Volt. Bilindustrin är fullproppad med radikala nya konstruktioner som minskar bilismens miljöpåverkan. Flygplansindustrin har förbättrat bränsleeffektiviteten stegvis i årtionden, men den har nått gränsen för den nuvarande konstruktionens potential och kommer snart att behöva komma med en lika omvälvande omprövning. Och det måste ske snabbt. Flygtrafiken kommer att explodera – mer än fördubblas fram till 2031 – i takt med att utvecklingsländerna blir allt mer välmående. Den tillväxten skulle kunna äta upp alla andra förbättringar som vi kan göra genom att rengöra bilar eller energinät.
Det finns ett antal sätt att ta itu med problemet. NASA omprövar flygplansdesignen genom att sponsra uppseendeväckande koncept som MIT:s D-serie – där en dubbelcylindrig kropp möjliggör bakmonterade motorer och en total bränslesänkning på cirka 50 procent. (De är också mycket tystare.) Smartare navigationssystem skulle kunna låta flygbolagen flyga kortare och mer direkta flygvägar. Och små flygplan med kort räckvidd kan så småningom bli elektriska: Det slovenska företaget Pipistrel har utvecklat ett elektriskt fyrsitsigt flygplan med dubbelt så hög körsträcka som ett liknande plan. ”All denna teknik sammanfaller för att skapa möjligheter som man inte kunde föreställa sig för tio år sedan”, säger David Hinton, NASA:s biträdande direktör för flygteknisk forskning. Himlen är gränsen. -Clive Thompson
Big Idea 2: Bränsle till planeten med mikromaskiner
Harry Gray kan sina elektroner. År 1982 upptäckte kemisten från Caltech att elektroner ”tunnlar” – hoppar över långa kedjor av molekyler – genom proteiner. Detta trick visar sig vara livets livsluft; det är så levande varelser omvandlar energi till något som de kan använda, från växter som låser in solljusets energi i sina celler till i stort sett alla livsformer som förbränner bränslen som glukos för att skapa energi. Allt detta möjliggörs av hybridmolekyler som kallas metalloproteiner, som kombinerar proteiners formskiftande flexibilitet med metallers förmåga att katalysera kemiska reaktioner.
När Gray kom på det var han redan intresserad av solenergi. Om man försökte utveckla en nästan oändligt förnybar kraftgenerator, insåg han, skulle man kanske försöka kapa ett metallproteindrivet system som fotosyntesen. Men det skulle inte fungera. Biologiska maskiner är för ömtåliga och ineffektiva – och måste resyntetiseras med några minuters mellanrum för att fungera.
Om man vill ha en molekylär maskin som producerar kraft på ett effektivt och tillförlitligt sätt, säger Gray, måste man bygga den själv. Han och hans kolleger tänker sig mikroskaliga batterier med metalloxider i ena änden och kisel i den andra, byggda som metallproteinarrayer i växtcellmembran. Metalloxiderna skulle absorbera blå våglängder av solljus och använda energin för att dela upp havsvattnet i syre och protoner, och kislet skulle absorbera rött ljus och kombinera protonerna med elektroner. Det är smart, eftersom en proton som kombineras med en elektron faktiskt är väte, som kan användas som bränsle. Kortare version: gratis väte från solljus. ”Hela tyngdpunkten i vårt arbete ligger på att ta fram molekyler eller material som är mycket robusta”, säger han, ”och som kommer att hålla länge i solbränslefabriker.”
Det kan till och med fungera. Konstgjorda vattendelare är redan 10 gånger effektivare än naturlig fotosyntes, även om uppskalning fortfarande ligger flera decennier bort, eftersom forskarna söker nya katalysatorer för att driva kemin. (De exotiska metaller de använder idag är dyra och giftiga.) Gray är ändå optimistisk. ”Det naturliga systemet var tvunget att bygga något som faktiskt kunde leva”, säger han. ”Allt vi behöver göra är att tillverka bränsle.” Åh, och rädda planeten. -Thomas Hayden
Big Idea 3: Spraya Wi-Fi-hotspots på allting
Hela mobilekonomin bygger på ett svagt antagande – att vi kommer att kunna få tillgång till den mobila webben, när och var vi vill, med allt högre hastighet. Verkligheten är inte så rosenröd: Vi har redan sett mobiloperatörer som AT&T och Verizon sluta erbjuda sina obegränsade dataplaner – och kampen om bandbredd kommer att bli ännu hårdare i takt med att antalet surfplattor och smarttelefoner fortsätter att explodera.
Begränsad åtkomst är mer än bara ett irritationsmoment, det är ett dödligt hot mot innovation. År 2020 förväntas trådlös teknik ha en global inverkan på 4,5 biljoner dollar. Men tillväxten är beroende av vår förmåga att skala upp. Vi behöver tillgång som motsvarar antalet enheter som efterfrågar den.
Lätt tillgänglig Wi-Fi kan bidra till att lösa det problemet. Internet- och telefonbolag har redan börjat installera små celler – i princip små mobiltelefontorn som tillhandahåller Wi-Fi tillsammans med 4G – i tätbefolkade områden. Men dessa företag har inte mycket incitament att bygga ut den enorma infrastruktur som krävs för att ansluta resten av världen.
Ett företag har kommit med en unikt djärv lösning – en Wi-Fi-antenn i en sprayburk. Chamtech Enterprises har utvecklat en vätska fylld med miljontals nanokondensatorer som när de sprutas på en yta kan ta emot radiosignaler bättre än en vanlig metallstav. Med en router kan Chamtechs antenner kommunicera med ett fibernät, ta emot signaler från målinriktade satelliter och upprätta en kedja med närliggande noder, vilket kan skapa ett mesh-nätverk av billiga, bredbandiga Wi-Fi-hotspots. Eftersom antennerna kan målas på vilken yta som helst finns det ingen av den NIMBY-ism som möter varje nytt mobiltelefontorn. Om det inte är tillräckligt fantastiskt, prova det här: Inget mer svordomar på AT&T. -Rachel Swaby
Stor idé 4: Förvandla öknar till kraftverk
Tänk inte på torra områden som Sahara som öde ödemarker. Tänk på dem som nästan oändliga källor till ren energi. Under sex dagsljustimmar suger jordens öknar upp mer energi än vad mänskligheten använder på ett år. Nu har ett osannolikt konsortium av politiker, vetenskapsmän och ekonomer från hela Medelhavsområdet en plan för att utnyttja denna energi. ”Desertec” skulle innebära hundratals kvadratkilometer vind- och solkraftverk i världens öknar, kopplade till elnätet för att leda tillförlitlig, förnybar och prisvärd energi till mer soltåliga regioner. Planerarna hoppas att solenergin först ska flöda från Nordafrika till Europa. Uppskattningsvis skulle 1 300 kvadratkilometer av den nordafrikanska öknen kunna hantera 20 procent av Europas energibehov år 2050. ”Allt som behövs för att förverkliga Desertec-konceptet finns redan där”, säger Thiemo Gropp, meddirektör för stiftelsen. Som med de flesta massiva infrastrukturprojekt är de största utmaningarna politiska. Nordafrikanska ledare ser Desertec som en sysselsättningsskapare, men den arabiska våren gjorde investerarna osäkra på regionens långsiktiga stabilitet. Europas ekonomiska kris har dränerat finansieringen av offentliga arbeten, och kontinenten är ett virrvarr av inkompatibla elnät och bestämmelser. Men Desertec-konceptet skulle ändå kunna användas. Nittio procent av världens befolkning bor inom 1 800 mil från en öken. Kinas städer skulle kunna drivas av Gobi, Sydamerika skulle kunna dra ledningar från Atacama. Där det finns ljus finns det hopp.
-Andrew Curry
Stor idé 5: Sätt digitala skärmar i ögonen
Smartphones har gett oss en ständig anslutning till världens information. Men för att få tillgång till den informationen måste vi stirra ner på våra prylar, vilket gör att vi riskerar att få krockar och bli förbannade på våra middagsgäster. Tänk om vi kunde få tillgång till all denna information på ett smidigt sätt, utan att riskera våra liv eller vänskap?
Googles medgrundare har talat om en direktlinje till våra hjärnor sedan 2002. Hittills har de närmast kommit Google Glass-prototypen, ett glasögon som projicerar information på en heads-up-display som endast är synlig för bäraren. Men Babak Parviz, grundaren av Project Glass, som också är docent vid University of Washington, hoppas kunna ta saker och ting ett steg längre. Han föreslår en långsiktig plan för att avskaffa de skrymmande glasögonen och bygga ett mikrosystem på en kontaktlins. Med hjälp av radioapparater som inte är bredare än några hårstrån tror han att dessa linser kan förstärka verkligheten och för övrigt eliminera behovet av skärmar på telefoner, datorer och bredbilds-tv:n. ”Det enda som dessa skärmar gör är att generera ett mönster på näthinnan”, säger Parviz. ”Så om du har en kontaktlins som gör det behöver du inte längre någon av dessa skärmar.” En bonus: linserna skulle kunna fungera som en permanent hälsomätare, med hjälp av små biosensorer för att analysera ögats celler. -S.L.
Stor idé 6: Förklara krig mot inkommande asteroider
Filmen Armageddon gjorde två saker rätt: För det första är vi sorgligt oförberedda på en inkommande asteroid. Och för det andra? Rätt verktyg för rätt jobb. ”Bruce Willis gjorde ett mycket viktigt bidrag till det planetära försvaret”, säger Bong Wie, chef för Asteroid Deflection Research Center vid Iowa State University. Armageddon bidrog till att popularisera teorin om explosioner under ytan. Wie har en missil – Hyper-Velocity Asteroid Intercept Vehicle – som gör en sådan. Framme: en ”kinetisk energiavfångare”. På baksidan: en atombomb. Den kinetiska delen kör in i stenen och bomben spränger den i bitar. Det lät bra för NASA, som gav Wie ett bidrag på 100 000 dollar. Konstruktionen tar upp en av de största bristerna med kärnvapen i rymden. Om en bomb slås in i ytan på en asteroid skulle det klyvbara materialet smälta innan det kan detonera, och en explosion på avstånd skulle inte förstöra målet. HAIV placerar bomben inne i berget, där den skapar jordstötar som förstorar kraften i explosionen tjugofaldigt. Wie planerar att testa systemet, utan kärnvapen, runt 2020, men han säger att han skulle kunna få en bomb i luften på mindre än ett år om en kollision skulle vara nära förestående. ”Många människor i vårt samhälle tror att närhelst vi behöver det kan vi bara montera det system som jag talar om”, säger Wie. Det skulle kosta 500 miljoner dollar, men det är några korn av stjärnstoft jämfört med slutet på civilisationen som vi känner den (och 50 miljoner dollar mindre än Armageddon’s globala biljettintäkter).
-Ben Paynter
Big Idea 7: Bygg skyskrapor av diamanter
Det är ett av de hårdaste materialen i universum. Det är fullständigt klart, praktiskt taget friktionsfritt, kemiskt inert och en utmärkt värmeledare. Och det består av ett av de vanligaste grundämnena: kol. Diamant – egentligen bara en kolkristall – är ytterst användbar inom allt från mikroelektronik till vattenrening. Tyvärr är stora diamanter också ytterst sällsynta. Men tänk om det vore lika allmänt förekommande som stål.
Stephen Bates kanske kan få det att hända. Förutom att arbeta för platser som NASA och Princeton tillbringade den 64-årige forskargesällen några år på General Motors, där han byggde en genomskinlig kolvmotor med hjälp av safir, vilket gav en aldrig tidigare skådad bild av flammors och gasers flöde. Denna safirmotor fick Bates att tänka på diamant. ”Allt man kan göra med safir skulle fungera bättre med diamant, om man hade råd med det”, säger han.
Efter att ha fördjupat sig i forskning om syntesen av kristaller i tunna filmer med hjälp av en process som kallas förångningsdeponering, patenterade Bates en metod för att göra samma sak för diamanter. Konceptet är enkelt: Packa in diamantgrus, en billig industriprodukt, i en form med förångad C60-fulleren – en fotbollsformad bur av 60 kolatomer. Sedan spränger man det hela med en laserstråle. Fullerenen bryts sönder och kolet kondenseras mellan diamantpartiklarna, vilket i praktiken gör att de smälter samman till en relativt fast massa.
Även om metoden visar sig vara tekniskt och ekonomiskt genomförbar skulle det resulterande materialet vara poröst, och ingen vet egentligen vilka egenskaper som porös diamant skulle ha. Steg ett är att Bates skaffar en pulserande laser för 100 000 dollar. Men om den fungerar? Tänk dig diamantfundament under ditt hem, diamantbalkar i skyskrapor, diamantben i dina ben och diamantdelar till flygplan och rymdskepp. Planera bara inte för ett hus helt i diamant – väggar gjorda av världens bästa värmeledare skulle ge ett ganska kyligt ställe. -Ted Greenwald