Η αντίληψη του καλλιτέχνη για ένα βιο-νανορομπότ. Πιστωτική εικόνα: NASA. Κάντε κλικ για μεγέθυνση
Όταν πρόκειται για το επόμενο «τεράστιο άλμα» στην εξερεύνηση του διαστήματος, η NASA σκέφτεται μικρή - πολύ μικρή.
Σε εργαστήρια σε όλη τη χώρα, η NASA υποστηρίζει την αναπτυσσόμενη επιστήμη της νανοτεχνολογίας. Η βασική ιδέα είναι να μάθουμε να αντιμετωπίζουμε την ύλη στην ατομική κλίμακα - να είμαστε σε θέση να ελέγξουμε μεμονωμένα άτομα και μόρια αρκετά καλά για να σχεδιάσουμε μηχανές μεγέθους μορίων, προηγμένα ηλεκτρονικά και «έξυπνα» υλικά.
Εάν οι οραματιστές έχουν δίκιο, η νανοτεχνολογία θα μπορούσε να οδηγήσει σε ρομπότ που μπορείτε να κρατήσετε στο δάχτυλό σας, αυτοθεραπευτικές διαστημικές στολές, ανελκυστήρες διαστήματος και άλλες φανταστικές συσκευές. Μερικά από αυτά τα πράγματα μπορεί να χρειαστούν 20+ χρόνια για να αναπτυχθούν πλήρως. Άλλοι παίρνουν σχήμα στο εργαστήριο σήμερα.
Το να κάνεις τα πράγματα μικρότερα έχει τα πλεονεκτήματά του. Φανταστείτε, για παράδειγμα, εάν ο Άρης αναβάτες Πνεύμα και Ευκαιρία θα μπορούσαν να έχουν γίνει τόσο μικρό όσο ένας σκαθάρι, και θα μπορούσαν να τρέχουν πάνω από βράχους και χαλίκια όπως ένα σκαθάρι, δειγματοληψία ορυκτών και αναζήτηση ενδείξεων για την ιστορία του νερού στον Άρη. Εκατοντάδες ή χιλιάδες από αυτά τα μικροσκοπικά ρομπότ θα μπορούσαν να είχαν σταλεί στις ίδιες κάψουλες που μετέφεραν τους δύο ρόβερ μεγέθους γραφείου, επιτρέποντας στους επιστήμονες να εξερευνήσουν πολύ περισσότερο την επιφάνεια του πλανήτη - και να αυξήσουν τις πιθανότητες να σκοντάψουν ένα απολιθωμένο βακτήριο του Άρη!
Αλλά η νανοτεχνολογία είναι κάτι περισσότερο από απλώς συρρίκνωση πραγμάτων. Όταν οι επιστήμονες μπορούν σκόπιμα να παραγγείλουν και να δομήσουν την ύλη σε μοριακό επίπεδο, μερικές φορές εμφανίζονται εκπληκτικές νέες ιδιότητες.
Ένα εξαιρετικό παράδειγμα είναι ότι η αγάπη του νανοτεχνολογικού κόσμου, ο νανοσωλήνας άνθρακα. Ο άνθρακας εμφανίζεται φυσικά ως γραφίτης - το μαλακό, μαύρο υλικό που χρησιμοποιείται συχνά σε μολύβια μολύβδου - και ως διαμάντι. Η μόνη διαφορά μεταξύ των δύο είναι η διάταξη των ατόμων άνθρακα. Όταν οι επιστήμονες τακτοποιούν τα ίδια άτομα άνθρακα σε ένα μοτίβο «σύρματος κοτόπουλου» και τα τυλίγουν σε μικροσωλήνες απέναντι μόνο 10 άτομα, οι προκύπτοντες «νανοσωλήνες» αποκτούν κάποια μάλλον εξαιρετικά χαρακτηριστικά. Νανοσωλήνες:
- έχουν 100 φορές την αντοχή εφελκυσμού του χάλυβα, αλλά μόνο το 1/6 του βάρους,
- είναι 40 φορές ισχυρότερες από τις ίνες γραφίτη ·
- αγωγός ηλεκτρικής ενέργειας καλύτερα από τον χαλκό ·
- μπορεί να είναι είτε αγωγοί είτε ημιαγωγοί (όπως υπολογιστές), ανάλογα με τη διάταξη των ατόμων.
- και είναι εξαιρετικοί αγωγοί θερμότητας.
Μεγάλο μέρος της τρέχουσας έρευνας νανοτεχνολογίας παγκοσμίως επικεντρώνεται σε αυτούς τους νανοσωλήνες. Οι επιστήμονες έχουν προτείνει τη χρήση τους για ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών: στο καλώδιο υψηλής αντοχής και χαμηλού βάρους που απαιτείται για ανελκυστήρα διαστήματος. ως μοριακά καλώδια για νανο-κλίμακα ηλεκτρονικά? ενσωματωμένο σε μικροεπεξεργαστές για να βοηθήσει το σιφόνι από τη θερμότητα. και ως μικροσκοπικές ράβδοι και γρανάζια σε μηχανήματα νανο-κλίμακας, για να αναφέρουμε μόνο μερικά.
Οι νανοσωλήνες αποτελούν εξέχουσα θέση στην έρευνα που πραγματοποιείται στο NASA Ames Center for Nanotechnology (CNT). Το κέντρο ιδρύθηκε το 1997 και τώρα απασχολεί περίπου 50 ερευνητές πλήρους απασχόλησης.
«[Προσπαθούμε] να επικεντρωθούμε σε τεχνολογίες που θα μπορούσαν να αποδώσουν χρησιμοποιήσιμα προϊόντα μέσα σε λίγα χρόνια έως μια δεκαετία», λέει η διευθύντρια της CNT Meyya Meyyappan. «Για παράδειγμα, εξετάζουμε πώς τα νανο-υλικά θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για προηγμένη υποστήριξη ζωής, αλληλουχίες DNA, εξαιρετικά ισχυρούς υπολογιστές και μικροσκοπικούς αισθητήρες για χημικά ή ακόμα και αισθητήρες για καρκίνο».
Ένας χημικός αισθητήρας που ανέπτυξαν χρησιμοποιώντας νανοσωλήνες έχει προγραμματιστεί να πετάξει μια αποστολή επίδειξης στο διάστημα πάνω σε έναν πυραύλο Ναυτικού το επόμενο έτος. Αυτός ο μικροσκοπικός αισθητήρας μπορεί να ανιχνεύσει λίγα μέρη ανά δισεκατομμύριο συγκεκριμένων χημικών ουσιών - όπως τοξικά αέρια - καθιστώντας το χρήσιμο τόσο για την εξερεύνηση του διαστήματος όσο και για την άμυνα της πατρίδας. Το CNT έχει επίσης αναπτύξει έναν τρόπο χρήσης νανοσωλήνων για την ψύξη των μικροεπεξεργαστών σε προσωπικούς υπολογιστές, μια μεγάλη πρόκληση καθώς οι CPU γίνονται όλο και πιο ισχυροί. Αυτή η τεχνολογία ψύξης έχει αδειοδοτηθεί σε μια Santa Clara της Καλιφόρνια, μια εκκίνηση που ονομάζεται Nanoconduction, και η Intel έχει εκδηλώσει ακόμη και ενδιαφέρον, λέει ο Meyyappan.
Εάν αυτές οι βραχυπρόθεσμες χρήσεις της νανοτεχνολογίας φαίνονται εντυπωσιακές, οι μακροπρόθεσμες δυνατότητες είναι πραγματικά εντυπωσιακές.
Το NASA Institute for Advanced Concepts (NIAC), ένας ανεξάρτητος, χρηματοδοτούμενος από τη NASA οργανισμός που βρίσκεται στην Ατλάντα της Γεωργίας, δημιουργήθηκε για να προωθήσει τη μελλοντική έρευνα σχετικά με τις ριζικές διαστημικές τεχνολογίες που θα διαρκέσουν 10 έως 40 χρόνια για να υλοποιηθούν.
Για παράδειγμα, μια πρόσφατη επιχορήγηση NIAC χρηματοδότησε μια μελέτη σκοπιμότητας της κατασκευής νανοκλίμακας - με άλλα λόγια, χρησιμοποιώντας τεράστιους αριθμούς μικροσκοπικών μοριακών μηχανών για την παραγωγή οποιουδήποτε επιθυμητού αντικειμένου συναρμολογώντας το άτομο από άτομο!
Αυτή η επιχορήγηση NIAC χορηγήθηκε στον Chris Phoenix του Κέντρου Υπεύθυνης Νανοτεχνολογίας.
Στην έκθεση 112 σελίδων του, ο Φοίνιξ εξηγεί ότι ένα τέτοιο «νανο εργοστάσιο» θα μπορούσε να παράγει, ας πούμε, διαστημικά σκάφη με ατομική ακρίβεια, που σημαίνει ότι κάθε άτομο μέσα στο αντικείμενο τοποθετείται ακριβώς εκεί που ανήκει. Το προκύπτον τμήμα θα ήταν εξαιρετικά δυνατό και το σχήμα του θα μπορούσε να βρίσκεται στο πλάτος ενός ατόμου από τον ιδανικό σχεδιασμό. Οι εξαιρετικά λείες επιφάνειες δεν θα χρειάζονταν στίλβωση ή λίπανση και ουσιαστικά δεν θα έπαιρναν «φθορά» με την πάροδο του χρόνου. Η υψηλή ακρίβεια και η αξιοπιστία των μερών διαστημικών σκαφών είναι υψίστης σημασίας όταν διακυβεύονται οι ζωές των αστροναυτών.
Παρόλο που ο Phoenix σκιαγράφησε μερικές ιδέες σχεδιασμού για ένα νανο-εργοστάσιο επιφάνειας εργασίας στην έκθεσή του, αναγνωρίζει ότι - εκτός από ένα μεγάλο προϋπολογισμό "Nanhatten Project", όπως το αποκαλεί - ένα νανο-εργοστάσιο που λειτουργεί είναι τουλάχιστον μια δεκαετία μακριά, και πιθανώς πολύ περισσότερο.
Λαμβάνοντας υπόψη τη βιολογία, ο Κωνσταντίνος Μαυροειδής, διευθυντής του Εργαστηρίου Υπολογιστικών Βιοανωροβωτικών στο Βορειοανατολικό Πανεπιστήμιο της Βοστώνης, διερευνά μια εναλλακτική προσέγγιση για τη νανοτεχνολογία:
Αντί να ξεκινούν από το μηδέν, οι έννοιες στη μελέτη που χρηματοδοτείται από το NIAC του Mavroidis χρησιμοποιούν προϋπάρχουσες, λειτουργικές μοριακές «μηχανές» που μπορούν να βρεθούν σε όλα τα ζωντανά κύτταρα: μόρια DNA, πρωτεΐνες, ένζυμα κ.λπ.
Διαμορφωμένα από την εξέλιξη εδώ και εκατομμύρια χρόνια, αυτά τα βιολογικά μόρια είναι ήδη πολύ ικανά στο χειρισμό της ύλης σε μοριακή κλίμακα - γι 'αυτό ένα φυτό μπορεί να συνδυάσει αέρα, νερό και βρωμιά και να παράγει μια ζουμερή κόκκινη φράουλα και το σώμα ενός ατόμου μπορεί να μετατραπεί τελευταία βραδινό δείπνο πατάτας στα νέα ερυθρά αιμοσφαίρια του σήμερα. Η αναδιάταξη των ατόμων που καθιστά δυνατή αυτή την επιτυχία πραγματοποιείται από εκατοντάδες εξειδικευμένα ένζυμα και πρωτεΐνες και το DNA αποθηκεύει τον κώδικα για την παραγωγή τους.
Η χρήση αυτών των "προκατασκευασμένων" μοριακών μηχανών - ή η χρήση τους ως σημεία εκκίνησης για νέα σχέδια - είναι μια δημοφιλής προσέγγιση στη νανοτεχνολογία που ονομάζεται "bio-nanotech".
"Γιατί να ξαναφτιάξουμε τον τροχό;" Λέει ο Μαυροειδής. «Η φύση μας έχει δώσει όλα αυτά την υπέροχη, εξαιρετικά εκλεπτυσμένη νανοτεχνολογία στο εσωτερικό των ζωντανών πραγμάτων, οπότε γιατί να μην το χρησιμοποιήσουμε - και προσπαθήστε να μάθετε κάτι από αυτό;»
Οι συγκεκριμένες χρήσεις του bio-nanotech που προτείνει ο Mavroidis στη μελέτη του είναι πολύ φουτουριστικές. Μία ιδέα περιλαμβάνει τη δημιουργία ενός είδους «ιστού αράχνης» λεπτών σωλήνων που είναι γεμάτοι με αισθητήρες βιο-νανοτεχνολογίας σε δεκάδες μίλια εδάφους, ως τρόπος χαρτογράφησης του περιβάλλοντος κάποιου εξωγήινου πλανήτη με μεγάλη λεπτομέρεια. Μια άλλη ιδέα που προτείνει είναι ένα «δεύτερο δέρμα» για τους αστροναύτες να φορούν κάτω από τις στολές τους που θα χρησιμοποιούν βιο-νανοτεχνολογία για να αισθανθούν και να ανταποκριθούν στην ακτινοβολία που διεισδύει στο κοστούμι, και να σφραγίσουν γρήγορα τυχόν κοψίματα ή τρυπήματα.
Φουτουριστικό; Σίγουρα. Δυνατόν? Μπορεί. Ο Μαυροειδής παραδέχεται ότι τέτοιες τεχνολογίες είναι πιθανώς δεκαετίες μακριά, και ότι η τεχνολογία μέχρι τώρα στο μέλλον θα είναι πιθανώς πολύ διαφορετική από αυτήν που φαντάζουμε τώρα. Ωστόσο, λέει ότι πιστεύει ότι είναι σημαντικό να αρχίσουμε να σκεφτόμαστε τώρα τι θα μπορούσε να κάνει δυνατή η νανοτεχνολογία πολλά χρόνια στο δρόμο.
Λαμβάνοντας υπόψη ότι η ίδια η ζωή είναι, από μια άποψη, το απόλυτο παράδειγμα της νανοτεχνολογίας, οι δυνατότητες είναι πραγματικά συναρπαστικές.
Αρχική πηγή: Δελτίο Τύπου της NASA
