Художественная концепция био-наноробота. Изображение предоставлено NASA. нажмите, чтобы увеличить
Когда дело доходит до следующего «гигантского скачка» в освоении космоса, НАСА думает о малом - очень маленьком.
В лабораториях по всей стране НАСА поддерживает развивающуюся науку о нанотехнологиях. Основная идея состоит в том, чтобы научиться обращаться с веществом на атомном уровне - уметь управлять отдельными атомами и молекулами достаточно хорошо, чтобы создавать машины размером с молекулу, современную электронику и «умные» материалы.
Если провидцы правы, нанотехнологии могут привести к появлению роботов, которых вы можете держать на кончике пальца, скафандрам для самовосстановления, космическим лифтам и другим фантастическим устройствам. Некоторые из этих вещей могут занять более 20 лет, чтобы полностью развиваться; другие обретают форму в лаборатории сегодня.
Простое уменьшение размеров имеет свои преимущества. Представьте, например, что Марсоходы Дух и Возможность могли бы быть такими же маленькими, как жук, и могли бы суетиться по камням и гравию, как жук, пробуя полезные ископаемые и ища подсказки для истории воды на Марсе. Сотни или тысячи этих миниатюрных роботов могли быть отправлены в одних и тех же капсулах, в которых находились два ровера размера стола, что позволило ученым исследовать гораздо больше поверхности планеты - и увеличило бы шансы наткнуться на окаменелую марсианскую бактерию!
Но нанотехнологии - это больше, чем просто сокращение. Когда ученые могут сознательно упорядочить и структурировать материю на молекулярном уровне, иногда появляются удивительные новые свойства.
Отличный пример - дорогой мир нанотехнологий, углеродная нанотрубка. Углерод встречается в природе в виде графита - мягкого черного материала, часто используемого в грифелях для карандашей, - и в виде алмаза. Единственная разница между ними заключается в расположении атомов углерода. Когда ученые упорядочивают одни и те же атомы углерода по схеме «проволочная сетка» и сворачивают их в миниатюрные трубки размером всего 10 атомов, получающиеся в результате «нанотрубки» приобретают довольно необычные черты. Нанотрубки:
- иметь в 100 раз предел прочности стали, но только 1/6 веса;
- в 40 раз прочнее графитовых волокон;
- проводить электричество лучше, чем медь;
- могут быть проводниками или полупроводниками (например, компьютерные чипы), в зависимости от расположения атомов;
- и являются отличными проводниками тепла.
Большая часть современных исследований в области нанотехнологий сосредоточена на этих нанотрубках. Ученые предложили использовать их для широкого спектра применений: в высокопрочном и легковесном кабеле, необходимом для космического лифта; в качестве молекулярных проводов для наноразмерной электроники; встроенный в микропроцессоры, чтобы помочь откачать тепло; и как крошечные стержни и шестерни в машинах наномасштаба, и это лишь некоторые из них.
Нанотрубки занимают видное место в исследованиях, проводимых в Центре нанотехнологий НАСА (CNT). Центр был основан в 1997 году, и в настоящее время в нем работают около 50 штатных исследователей.
«[Мы] пытаемся сосредоточиться на технологиях, которые могут дать полезные продукты в течение нескольких лет или десятилетия», - говорит директор CNT Мейя Мейяппан. «Например, мы смотрим, как наноматериалы могут быть использованы для продвинутой жизнеобеспечения, секвенаторов ДНК, сверхмощных компьютеров и крошечных сенсоров для химикатов или даже сенсоров для рака».
Химический сенсор, который они разработали с использованием нанотрубок, должен в следующем году запустить демонстрационную миссию в космос на ракете ВМФ. Этот крошечный датчик может обнаруживать всего несколько частей на миллиард специфических химических веществ, таких как токсичные газы, что делает его полезным как для исследования космоса, так и для обороны страны. CNT также разработала способ использования нанотрубок для охлаждения микропроцессоров в персональных компьютерах, что является серьезной проблемой, поскольку процессоры становятся все более и более мощными. По словам Мейяппана, эта технология охлаждения была лицензирована для стартапа под названием «Нанокондукция» в Санта-Кларе, штат Калифорния, и Intel даже выразила заинтересованность.
Если эти краткосрочные применения нанотехнологий кажутся впечатляющими, долгосрочные возможности действительно ошеломляют.
Институт передовых концепций НАСА (NIAC), независимая финансируемая НАСА организация, расположенная в Атланте, штат Джорджия, была создана для содействия перспективным исследованиям радикальных космических технологий, для осуществления которых потребуется от 10 до 40 лет.
Например, один недавний грант NIAC финансировал технико-экономическое обоснование наноразмерного производства - другими словами, с использованием огромного количества микроскопических молекулярных машин для производства любого желаемого объекта путем сборки его атом за атомом!
Этот грант NIAC был присужден Крису Фениксу из Центра ответственных нанотехнологий.
В своем 112-страничном отчете Феникс объясняет, что такая «нанофабрика» может производить, скажем, части космического корабля с атомной точностью, а это означает, что каждый атом внутри объекта размещается именно там, где он принадлежит. Результирующая деталь будет чрезвычайно прочной, а ее форма может быть в пределах одного атома ширины идеального дизайна. Ультрагладкие поверхности не нуждаются в полировке или смазке и практически не подвержены износу. Такая высокая точность и надежность деталей космического корабля имеют первостепенное значение, когда на карту поставлены жизни космонавтов.
Хотя Феникс в своем отчете набросал некоторые идеи дизайна для настольной нанофабрики, он признает, что - если не считать крупнобюджетный «проект Nanhatten», как он его называет - работающей нанофабрике, по крайней мере, осталось десять лет, и, возможно, намного дольше.
Пользуясь подсказкой биологии, Константинос Мавроидис, директор Лаборатории вычислительной бионанороботики в Северо-восточном университете в Бостоне, исследует альтернативный подход к нанотехнологиям:
Вместо того, чтобы начинать с нуля, в исследованиях Mavroidis, финансируемых NIAC, используются уже существующие функциональные молекулярные «машины», которые можно найти во всех живых клетках: молекулах ДНК, белках, ферментах и т. Д.
Эти биологические молекулы, сформировавшиеся в результате эволюции на протяжении миллионов лет, уже очень хорошо умеют манипулировать веществом на молекулярном уровне - вот почему растение может объединять воздух, воду и грязь и производить сочную красную клубнику, а тело человека может превращаться последним ночной картофельный ужин в сегодняшние новые эритроциты. Перегруппировка атомов, которая делает возможными эти подвиги, осуществляется сотнями специализированных ферментов и белков, и ДНК хранит код для их создания.
Использование этих «заранее сделанных» молекулярных машин - или использование их в качестве отправной точки для новых разработок - является популярным подходом к нанотехнологиям, который называется «био-нанотехнология».
«Зачем изобретать велосипед?» Мавроидис говорит. «Природа дала нам всю эту великую, очень утонченную нанотехнологию внутри живых существ, так почему бы не использовать ее - и попытаться чему-то научиться?»
Конкретное использование био-нанотехнологий, которое Мавроидис предлагает в своем исследовании, очень футуристично. Одна из идей заключается в создании своего рода «паутины» из тонких волосков, заполненных био-нанотехнологическими датчиками, по десяткам миль местности, как способа составить карту окружающей среды какой-либо инопланетной планеты. Еще одна концепция, которую он предлагает, - это «вторая кожа» для астронавтов, которую они будут носить под скафандрами, которая будет использовать био-нанотехнологию для обнаружения и реагирования на радиацию, проникающую в костюм, и для быстрой герметизации любых порезов или проколов.
Футуристические? Безусловно. Возможный? Может быть. Мавроидис признает, что до таких технологий, вероятно, уже десятилетия, и что технологии в будущем, вероятно, будут сильно отличаться от того, что мы представляем сейчас. Тем не менее, он говорит, что считает важным начать думать о том, что нанотехнологии могут сделать возможным через много лет.
Учитывая, что сама жизнь, в некотором смысле, лучший пример нанотехнологий, возможности действительно впечатляют.
Первоисточник: пресс-релиз НАСА
