Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности
Собственно говоря, энергетический вызов всегда стоял перед человечеством. Энергетика обеспечивает существование человечества, и нам нельзя забывать, что объемы запасов нефти и природного газа уже сейчас вызывают серьезное беспокойство специалистов. Жизнь должна продолжаться, и это диктует настоятельную необходимость поиска новых источников энергии для начинающегося столетия. Даже самые простые расчеты демонстрируют, что к середине XXI века уровень энергопотребления человечества возрастет по меньшей мере вдвое, так что мы должны срочно научиться производить большие количества энергии за счет новых процессов. Задача осложняется и тем, что источники энергии должны быть не только воспроизводимыми, но и экологически чистыми, то есть не связанными, например, с дальнейшим повышением уровня двуокиси углерода в атмосфере, что уже сейчас становится крайне опасным. Источники энергии должны быть также дешевыми, хотя бы для того чтобы человечество могло сохранить международный мир и процветание, а не погрязнуть в войнах за природные ресурсы.
Энергетика представляет собой сейчас наиболее крупный и основной сектор мировой экономической системы вообще, и годовые расходы на нее можно оценить примерно в 3 триллиона долларов. Следующим по размеру сектором выступает сельское хозяйство, на которое человечество затрачивает примерно в два раза меньше (несмотря на его важность и распространенность), а глобальные расходы всех стран (включая США) достигают примерно 0,7 триллиона долларов в год. Человечество стоит перед настоятельной проблемой нахождения новых источников энергии, которые должны заменить нефть, бывшую основой развития в прошлом столетии.
Мне приходится довольно часто выступать перед публикой, и я обычно прошу слушателей составлять списки проблем, которые они считают наиболее важными для развития человечества вообще. На основании многочисленных опросов разных аудиторий я составил приведенный ниже общий список, который возглавляет слово энергия, практически всегда упоминаемое в таких перечнях одним из первых. Вот как выглядит перечень важнейших мировых проблем на основе моих простых опросов:
1. Энергия
2. Водные ресурсы
3. Пища
4. Состояние окружающей среды
5. Бедность и нищета
6. Терроризм и войны
7. Болезни
8. Малограмотность
9. Демократия
10. Перенаселенность
Я придаю энергетической проблеме важнейшее значение еще и потому, что ее решение значительно облегчило бы нам борьбу с бедностью, нищетой, болезнями и другими трудностями. С другой стороны, я также убежден, что без новых источников энергии мы просто не сможем справиться с большинством из перечисленных выше проблем, и попробую доказать это следующими рассуждениями.
Например, недостаток водных ресурсов является серьезнейшей проблемы для многих регионов мира. Собственно говоря, на планете полным-полно воды, но она по большей части является соленой, а во многих случаях просто находится очень далеко от тех мест, где в ней ощущается острая потребность. Сейчас мы можем с уверенностью сказать, что эффективное опреснение морской воды технически вполне осуществимо, так как некоторые нанотехнологии обеспечивают практически 100 %-ную очистку (впрочем, воду всегда можно очистить от солей, просто вскипятив ее и осадив пары). Проблемы опреснения и водоснабжения упираются только в возможности энергетики, так как, имея достаточно энергии, мы могли бы спокойно перекачивать воду из одних районов (где она в избытке) в другие, тем самым гарантируя процветание целых регионов. Столь же очевидно, что решить проблему водных ресурсов без достаточного количества производимой энергии невозможно.
Следующей проблемой в списке обычно выступает обеспечение населения Земли питанием, что очевидно связано с сельским хозяйством и проблемой водоснабжения. Для повышения урожайности требуются удобрения, производство которых тоже зависит от энергетики, не говоря уже о пищевой промышленности, транспортировке продуктов и т. п. Во всех случаях решение большинства задач упирается в возможности производить и передавать энергию.
Столь же очевидно значение энергетики для экологии, так как состояние окружающей среды в огромной степени определяется способами производства, хранения, передачи и потребления энергии. Собственно говоря, именно создание экологически безопасных источников энергии является важнейшей задачей почти для всех природоохранных мероприятий и действий.
Производство дешевой, экологически чистой и доступной энергии и является сейчас основной проблемой человечества. Только новые источники энергии могут обеспечить процветание человечества и дальнейший прогресс науки. Возвращаясь к списку, отмечу, что ни одна из других проблем не является столь объединяющей и важной, как энергетическая.
Таким образом, человечество просто вынуждено срочно искать новый источник энергии, который помимо всех указанных требований должен быть чрезвычайно мощным, поскольку речь идет о тераваттах энергии. Как ни странно, такой источник существует и его использование зависит только от нашего таланта и изобретательности. Я говорю о солнечной энергии, которая превращает в безлюдные пустыни обширные участки нашей планеты. Именно эту задачу я называют «тераваттовым вызовом» человечеству – для дальнейшего роста и развития оно должно в ближайшие десятилетия найти методы утилизации солнечной энергии.
О других источниках энергии не стоит даже говорить серьезно. Запасы полезных ископаемых (например, каменного угля) незначительны, а их добыча представляется малоэффективной. Чудовищное количество необходимой человечеству энергии (десятки тераватт!) может быть обеспечено только ядерной энергетикой. Источником энергии Солнца также являются ядерные и термоядерные реакции, так что в настоящий момент ее использование представляется единственным выходом из положения. Каждый день наша планета получает от Солнца 165 000 тераватт энергии, а для решения всех энергетических проблем необходимо лишь 20 тераватт. Природа создала огромный источник энергии, но человечество еще не научилось достаточно эффективно им пользоваться.
2.1. Транспортировка и хранение энергии
Я потратил много времени, пытаясь придумать какую-либо глобальную схему энергоснабжения планеты, разумную с точки зрения экономики и технологии. Основная идея заключается в том, что к 2050 году человечество должно прекратить совершенно бессмысленную транспортировку огромных масс топлива (угля, нефти и т. д.) по всей планете, а должно научиться передавать энергию именно в виде «энергии». Для этого нам следует прежде всего создать нечто вроде глобального «хранилища» энергии в виде сетки или «паутины» (из сотен миллионов соединенных друг с другом энергетических сайтов), позволяющей наиболее эффективным образом перераспределять потоки электрической энергии.
Рассмотрим, например, существующую сейчас систему электроснабжения всей Северной Америки, от Полярного круга до Панамского канала. К 2050 году эта система будет действительно включать в себя сотни миллионов узлов или сайтов, так что для создания реальной сети хранения энергии нам необходимо решить лишь технические вопросы, из которых существенными являются два. Во-первых, необходимо существенно снизить потери при передаче тока на большие расстояния, а во-вторых – мы должны как-то обеспечить само «хранение» электроэнергии в узлах.
Принципиально важными для функционирования и надежности такой энергетической сети являются именно вопросы хранения энергии в узлах, особенно если нам удастся создать устройства, вырабатывающие электричество на основе энергии солнечного света или ветра. Естественно, что хранение получаемой при этом энергии выгоднее организовывать вблизи центров потребления. В качестве заманчивой перспективы можно представить, что к 2050 году каждый дом, производственное помещение или организация будут снабжены собственным локальным устройством хранения электроэнергии, работающим круглые сутки. В идеале такие устройства должны быть небольшими по размеру и достаточно дешевыми, чтобы владельцы могли менять их на новые модели каждые несколько лет, поддерживая развитие такой сети и обновляя оборудование.
К сожалению, существующие устройства хранения электроэнергии еще очень далеки от предлагаемого идеала и являются очень громоздкими и дорогими (даже самые современные свинцовые аккумуляторы мощностью 1000 киловатт/час занимают несколько квадратных метров и стоят около 10 000 долларов). Однако в последние годы (во многом благодаря достижениям в нанотехнологиях) появилась реальная возможность существенного уменьшения размеров и стоимости батарей. Разработки продолжаются, и уже в близком будущем можно ожидать появления на рынке батарей такой же мощности, имеющих размеры небольшой стиральной машины стоимостью лишь около 1000 долларов. Массовое использование таких батарей будет иметь огромное значение для стабильности и надежности работы всей энергетической сети в целом, поскольку позволит снизить влияние местных флуктуаций, аварий и нарушений режима работы. Особую ценность такие устройства приобретут при внедрении новых источников энергии, связанных с использованием энергии ветра и Солнца.
Еще одно очень важное изобретение необходимо для того, чтобы мы могли передавать электроэнергию в огромных количествах (сотни гигаватт) на очень большие расстояния, например, от солнечных батарей в штате Нью-Мексико к потребителям в Новой Англии, что позволило бы производителям энергии на месте не беспокоиться об удаленности потребителей. Другими словами, необходимо создать достаточно обширную и связную энергетическую систему, объединяющую самых разных производителей энергии: экологически чистые угольные шахты в Вайоминге, ветряные установки в Северной Дакоте, газовые месторождения на Аляске, гидроэнергетические установки на севере Британской Колумбии, установки по выработке энергии из биомассы в Миссисипи, ядерные станции Хэнфорда, солнечные батареи на обширных пространствах западных пустынь и т. п. В такой сети удаленные производители и потребители энергии из самых разных областей континента могут свободно соединяться, несмотря на разделяющие их пространства. Пока такая единая электрическая система выглядит фантастикой, однако в последние годы возник проект создания нестандартной системы передачи электроэнергии, основанной на достижениях нанотехнологии. В узлах связи такой сети планируется использовать устройства из нанотрубок особого вида (так называемые а£а-нанотьюбы, образующие квантовые соединения в виде «кресла»). Научные открытия во всех отраслях энергетики (производство, передача и хранение энергии) и инновационные проекты на их основе в сочетании со здоровой конкуренцией и свободным предпринимательством производителей позволят не только решить перечисленные выше проблемы, но и создать рынки новых товаров и услуг в глобальном масштабе.
Наиболее важной технической задачей остается, по моему мнению, проблема локального хранения получаемой энергии, причем обеспечение «локальности» имеет ключевое значение. Дело в том, что основным недостатком любых установок, использующих энергию солнца и ветра (а именно эти источники рассматриваются сейчас в качестве основы будущей энергетики) является естественная неравномерность режима их работы и связанные с этим большие колебания в объеме вырабатываемой энергии, что особенно заметно при эксплуатации ветряных установок. Для таких устройств проблема хранения вырабатываемой энергии зачастую является основной, что вновь приводит нас к научным проблемам, решением которых может и должна заниматься нанотехнология. Напомню, что практически все физико-химические процессы в устройствах, обеспечивающих аккумулирование и хранение энергии (батареи, конденсаторы, топливные элементы, химические системы со связанным водородом и т. п.), происходят именно за счет наномасштабных процессов. Почти во всех случаях конечный процесс передачи заряда осуществляется группой из нескольких атомов на какой-либо поверхности. Поэтому, почти наверняка следующее поколение устройств хранения энергии будет создано на основе нанотехнологической модификации поверхностей, наноразмерных частиц катализаторов и т. д. Именно в энергетике (и особенно в решении проблем хранения энергии) нанотехнологии могут проявить свою исключительную эффективность.
2.2. Энергия для всех
Еще раз подчеркну, что я считаю проблему энергии наиболее важной для дальнейшего развития человечества. Все остальные задачи могут быть решены лишь при наличии достаточно мощных и доступных источников энергии. Проблема состоит в том, чтобы обеспечить население планеты (10 миллиардов человек в ближайшие десятилетия!) экологически чистыми, дешевыми и возобновляемыми источниками энергии. Я уверен, что эта задача может быть решена теми направлениями современной науки, где ученые уже умеют управлять веществом и процессами на атомарном уровне. Именно эти направления и объединяет нанотехнология.
Глава 3
Причудливые, странные и туманные перспективы нанотехнологии. Корабль в Саргассовом море с опасными капризами моды и агрессивными требованиями рекламы
Питер Коффи является одним из редакторов очень популярного в деловых кругах США журнала eWEEK (издание концерна Ziff Davis Media), посвященного проблемам предпринимательства и инновационной политики. Более 20 лет является одним из ведущих экспертов в области научно-технического развития вообще, выступая в качестве аналитика и консультанта и составляя обзоры по состоянию рынка и качеству новейших технических товаров в радиоэлектронике и информационных технологиях. Он также ведет известную среди специалистов редакторскую колонку «Epicenters», часто выступает по общенациональным каналам телевидения (CBS, NBC, CNN, Fox и PBS) по различным проблемам теории и практики новейших информационных технологий, организует конференции и семинары, а также выпускает книги и брошюры.
До перехода в журнал eWEEK (предыдущее название PC WEEK) П. Коффи занимал руководящие посты в фирмах Exxon и Aerospace Corporation, участвовал во многих правительственных и частных проектах, связанных с новыми технологиями (включая анализ жизненного цикла многих технологий типа x86, микропроцессоров RISC, Windows, OS/2 и т. п.), и преподавал во многих известных организациях и университетах. С его регулярными еженедельными заметками, озаглавленными Peter Coffee’s Enterprise IT Advantages, читатель может ознакомиться на сайте www.eweek.com/petercoffee.
У читателей книги и широкой общественности почти наверняка возникает наивный вопрос – а не является ли нанотехнология просто очередной модой, причудой и забавой самих ученых? Не придумывают ли они сами все эти фантастические возможности или опасности? Каковы реальные перспективы ее развития? Начальный период развития уже позади, поэтому серьезные инвесторы и ответственные спонсоры научных исследований все чаще ищут ответы на эти вопросы, решая конкретные проблемы финансирования и планирования. Мне кажется, следует начать со спокойного перечисления тех возможных сценариев развития нового направления, которые могут привести нас к разочарованию и потерям. Ввиду того что речь пойдет не о самой науке нанотехнологии, а лишь о том, как общество воспринимает ее и реагирует на связанные с ней изменения, я позволю себе несколько раскованный и образный стиль изложения. Начну с перечисления возможных вариантов развития нанотехнологии.
• Нанотехнология может оказаться еще одним «холодным синтезом», то есть научной идеей, в далекой перспективе обещающей исключительно важный результат. Ценность идеи вначале безмерно преувеличивается, а позднее все это научное направление оказывается бесплодным и «умирает», оставляя лишь память об ожесточенных дискуссиях и загубленных научных авторитетах некоторых участников.
• Нанотехнология может развиваться и по сценарию открытия «синтетического топлива» и многих других проектов, представляющих собой вначале вполне разумное и перспективное научное направление, которое позднее оказывается бесплодным (из-за экономических соображений, затянувшегося на многие годы решения побочных технических проблем или непрерывного усовершенствования и т. п.).
• Нанотехнология может представлять собой вариант проблемы «искусственного интеллекта», то есть абстрактного, но разумного научного понятия (или, точнее, наклейки, «лейбла»), которое при дальнейших исследованиях теряет собственный смысл и создает целый ряд отдельных научных направлений. Например, сейчас никто не занимается созданием «искусственного интеллекта» вообще, так как эта грандиозная научная проблема давно «распадалась» на множество конкретных задач, относящихся к вычислительной технике, компьютерам, исследованию операций, теории игр и многим другим научным дисциплинам.
Мне лично наиболее разумной в настоящее время представляется концепция развития, в соответствии с которой «корабль» под гордым флагом «Нанотехнология» действительно плывет к новым методикам преобразования энергии и вещества, хотя не исключена и возможность, что он будет бесконечно блуждать в Саргассовом море возможностей, незавершенных проектов и постоянных ожиданий.
3.1. Как не ошибиться в поисках успеха?
В этой главе мы рассмотрим некоторые весьма общие доводы и закономерности, относящиеся к развитию нанотехнологии. Существует выражение «порочный круг», описывающее ситуацию, когда каждый неправильный поступок или ошибка немедленно порождают такие же неправильные последствия. В жизни и науке этому хочется противопоставить «добродетельный круг» (тем более что по-английски эти прилагательные рифмуются: vicious и virtuous circles), когда каждое новое достижение или успех тут же создает возможность для дальнейшего успеха и прогресса. Возвращаясь к метафоре корабля, я бы сказал, что он плывет в море, полном опасностей, главные из которых можно назвать «капризами моды» и «агрессивной рекламы» в развитии самой нанонауки.
Я воспользуюсь словом fad, которое имеет много значений и оттенков смысла (фантазии, увлечения, причуды, капризы моды и т. п.), сводящиеся, в сущности, к различным определениям, которыми люди стараются как-то приукрасить или оправдать свое неправильное поведение. Термину нанотехнология грозит опасность стать примерно таким же богатым на смыслы и неопределенным понятием, так как сейчас его используют в самых разнообразных проектах и разработках, от вполне реалистических до самых фантастических. В информатике и теории связи очень важным параметром является отношение сигнал/шум, позволяющее оценить долю ценной и действительно важной информации в потоке данных, но, к сожалению, мы не можем пока классифицировать по этому параметру огромное число данных и публикаций, относящихся к нанотехнологиям, особенно учитывая их специфические и иногда поразительные особенности.
Вообще говоря, отношение общества к новым технологиям постоянно меняется, по мере того как их достижения воплощаются в реальные изделия, товары и услуги. Поэтому, задумываясь о будущем, серьезные исследователи, стремящиеся привлечь интерес инвесторов к своим разработкам, стараются быть сдержанными и точными в оценке своих возможностей. В этой связи интересно отметить, что многие из них стали в последнее время избегать излишне общего термина нанотехнология и стараются просто точно определять свою «нишу» деятельности в рамках привычных дисциплин.
Ситуация с определениями в науке и технике достаточно сложна и требует некоторых пояснений. Дело в том, что приставка нано – и определение нанотехнологический превратились сейчас в какие-то своеобразные «наклейки», которые многие авторы и организации беззастенчиво используют лишь для демонстрации высокой технологичности предлагаемых процессов или товаров. Кстати, такое поведение неоднократно повторялось в истории техники. Парадоксально, но длительное время могут существовать лишь научные «наклейки», относящиеся к очень трудным или неосуществимым замыслам (например, «вечный двигатель»), а реализация большинства технологий приводит к быстрому привыканию публики, которая затем быстро теряет интерес к новинке, после чего соответствующие термины просто исчезают из разговорной речи и рекламных объявлений. Можно вспомнить, что в 60-е годы производители новейшей радиоаппаратуры постоянно подчеркивали, что их продукция является полупроводниковой и транзисторной (в противовес старым «ламповым» приемникам и т. п.), а позднее перестали об этом упоминать вообще. Образно говоря, многие технические определения просто «выцветают», подобно обычным наклейкам на товарах.
Это явление легко заметить и в современной жизни. Старшее поколение пользователей еще использует сочетания мобильный телефон, цифровая камера и т. п., но подростки говорят просто телефон (в США подростки говорят просто фон) и камера, поскольку считают определения очевидными и привычными. Можно с уверенностью предсказать, что в период 2010–2020 гг. (когда ожидается широкое внедрение нанотехнологических товаров и услуг) приставка нано– начнет постепенно, но неизбежно исчезать из названий и рекламных плакатов.
Я хочу подчеркнуть, что нанотехнологии уже потеряли необычность и статус научной причуды, а представляют собой одну из основных тенденций развития науки и техники, своеобразный мейнстрим общественного прогресса вообще. Исследователи, инвесторы и фирмы уже оценили возможности новых технологий и все шире внедряют их в коммерческое производство (иногда с энтузиазмом, иногда – вынужденно). Нанотехнологии, которые можно назвать системой управления веществом на атомарномолекулярном уровне, уверенно занимают новые позиции в промышленности и общественной жизни.
Часто приходится читать и слышать, что нанотехнологии возникли на основе удивительных предсказаний и видений Ричарда Фейнмана и Эрика Дрекслера, которые затем нашли много практических применений. Реальная ситуация выглядит сложнее, так как, разумеется, нанотехнологии стали результатом общего развития научных концепций и методик второй половины прошлого века. Мне хочется напомнить читателю американский фильм «Старшекурсник» (1967 год), в котором преподаватель объясняет студенту, что обобщающим термином для всех веществ на свете является слово полимеры. В те годы происходило широкое внедрение полимерных товаров и изделий, вследствие чего многим людям казалось, что слова полимеры или пластики лучше всего характеризуют вещества вообще. Примерно такое же отношение наблюдается сейчас по отношению к нанотехнологиям, которые многие ученые и предприниматели стали считать самым общим символом научнотехнических возможностей.
Уже сейчас, незаметно для общественности, созданные на основе нанотехнологий отдельные детали и изделия широко используются в производстве многих бытовых товаров (например, плоские экраны телевизоров и компьютеров), а их роль и стоимость должны учитываться фирмами-производителями и экономистами. Со временем процесс внедрения новых технологий станет принимать все более широкие масштабы, существенно изменяя базовую стоимость многих распространенных товаров и услуг, а также саму структуру рынка и производства.
3.2. Агрессивная реклама
Капризы и увлечения модой могут отрицательно влиять на развитие нанотехнологий, но оборотной стороной увлечений является уже возникшая агрессивная реклама возможностей новых технологий, постоянное обещание быстрых и невиданных успехов, включая самые фантастические проекты (я обозначаю эту деятельность термином hype, которым в Америке называют беззастенчивую агитацию на выборах). Рекламная шумиха вокруг научных достижений возникала всегда, и обычно ее считают неизбежным побочным фактором технического прогресса, однако иногда она может стать серьезным препятствием на пути развития новых технологий (например, она может отвлекать внимание общественности и инвесторов от действительно интересных и важных идей и разработок).
Ответственный и серьезный исследователь всегда старается избегать участия в разработках, носящих рекламный или фантастический характер. Кроме того, настоящие ученые, хотя бы в общих чертах, хорошо знакомы с реальными возможностями существующих методик и поэтому не берутся за слишком общие и сложные задачи. Например, ответственный разработчик не будет даже пытаться быстро научить компьютер воспринимать обычную человеческую речь, так как прекрасно понимает, насколько сложна такая задача. Несмотря на огромные усилия и расходы, никому пока не удалось добиться ощутимых результатов в этом направлении, что, разумеется, нисколько не смущает создателей фантастических фильмов, в которых ЭВМ уже десятилетиями беседуют с людьми. Этот пример можно считать показательным для финансирования исследований, так как не обладающий техническими знаниями инвестор может вкладывать значительные средства во внешне эффектный проект с броским названием и привлекательной для публики идеей, оставив без внимания действительно ценную и перспективную разработку.