Otkrića koja mogu da promene svet

Brojne tehnologije koje će ući u masovnu upotrebu u neposrednoj budućnosti imaju veliki potencijal da iz korena unaprede brojne aspekte naših svakodnevnih života

Proricanje budućnosti je tradicionalno nezahvalan posao. Ukoliko vaša proročanstva nisu nejasna i dvosmislena sigurno ćete pogrešiti. Sem toga, istorija nas uči da je uvek potrebno da prođe više godina, a ponekad čak i decenija, da bi određene tehnologije, uređaji ili naučna otkrića postali dovoljno omasovljeni među opštom populacijom kako bismo mogli da sa sigurnošću kažemo da su značajno uticali način na koji čovečanstvo živi. Ipak, brojne nove tehnologije čija široka primena je na pomolu prosto bude vizije svetle budućnosti i obećavaju da će promeniti naše živote, da će promeniti svet na bolje. Zato ćemo se u ovom tekstu upustiti u optimistično proricanje i navesti nekoliko naučnih skokova unapred.

Kvantni sateliti

U neprestanoj trci za sve većom bezbednošću elektronskih podataka, kvantna kriptologija (SK 4/2012) deluje kao sveti gral. Metod zvan QKD (Quantum-key Distribution) generiše ključeve za jednokratnu primenu od para kvantno povezanih fotona. Bilo kakva promena u prirodi jednog fotona dešava se i sa drugim i tako ključ ostaje apsolutno zaštićen. Problem sa širokom rasprostranjenošću ovakvog sistema, sem visoke cene proizvodnje kvantnih računara, je u slanju na veće udaljenosti. Do nedavno je maksimalni limit za transmisiju povezanih fotona bio oko 150 kilometara jer je neophodno da se fotoni šalju idealno pravom putanjom. Zakrivljenost površine Zemlje otežava slanje fotona, ali ako snop svetlosti šaljete ka satelitu, on putuje potpuno pravo. Tako najnoviji projekat Akademija nauka Kine i Austrije, Quantum Experiments at Space Scale ili kraće QUESS (Kvantni eksperimenti u svemirskim razmerama) obuhvata slanje specijalnog satelita u orbitu koji će omogućiti potpuno kriptovanu komunikaciju između dve opservatorije udaljene 1200 kilometara. Ukoliko se ovaj projekat pokaže uspešnim, internet budućnosti oslanjaće se na mrežu satelita koji šalju pakete podataka obezbeđene zakonima fizike.

Kada smo već kod satelita, ne moramo da čekamo na kvantne računare da bismo upotrebili njihove podatke u dobre svrhe. Jedan od ciljeva Ujedinjenih nacija je potpuna eliminacija ekstremnog siromaštva do 2030. godine, a da bi se delovalo na rešavanju tog problema neophodno je precizno odrediti uslove života na globalnom nivou. Tim okupljen oko profesora Maršala Burka na Univerzitetu Stanford razvija softver koji na inovativan način kombinuje naizgled obične satelitske snimke. Originalna zamisao bila je detaljno praćenje osvetljenosti planete noću, sa idejom da veća urbanizacija podrazumeva veću osvetljenost. To je, naravno, tačno, ali problem je bio u finoj gradaciji uslova u najslabije osvetljenim ili potpuno neosvetljenim predelima koja je od ključnog značaja za ciljano slanje pomoći. Burkov tim je rešenje problema potražio u mašinskom učenju. Kompjuterski sistem za analizu fotografija „treniran” je da kombinuje noćne i dnevne snimke i da sem osvetljenosti procenjuje stepen urbanizacije, stanje puteva, useva i pristupačnost vode. Rezultat je do sada najprecizniji alat za prepoznavanje regiona kojima je pomoć najpotrebnija. Burkov tim trenutno radi na proširivanju sistema sa pet afričkih zemalja, koje su praćene tokom razvoja sistema, na detaljnu mapu koja pokriva ceo kontinent.

Roboti u nama

Za većinu nas, definicija medicine budućnosti su sićušne mašine koje nas čuvaju iznutra. Uostalom, razvoj medicine nas uči da što je manja invazivnost nekog zahvata, to je oporavak pacijenta brži, a prognoza bolja. Dok je primena medicinskih nanorobota još uvek daleko od realnosti, stvari su drugačije na mikro-planu. Danijela Ras, inženjer robotike sa Univerziteta MIT razvila je inventivne mikro robote sposobne da obavljaju jednostavne procedure u probavnom traktu. Sam robot se unosi veoma jednostavno, sklopljen na veličinu standardne kapsule. Kada dođe u želudac, kapsula se rastvara i robot, napravljen od biokompatibilnog polimera, rasklapa se u svoju „radnu formu” nalik na pljosnatu origami gusenicu i spreman je za upotrebu. Tada kontrolu nad robotom preuzima lekar koji ga pomera na željeno mesto kombinacijom delovanja elektromagnetog polja na integrisani magnet i takozvanog „stick-slip” kretanja ove medicinske robo-gusenice. Sam robot može da obavi nekoliko osnovnih zahvata koji bi inače bili ili komplikovaniji ili osetno invazivniji. Može da dostavi lek na tačno mesto u probavnom traktu, može da se postavi preko manjih povreda kao flaster ili da se omota oko magnetnog stranog tela (recimo kada dete proguta malu bateriju) i olakša njeno izbacivanje iz tela.

Biotehnologija bi mogla da nam omogući da konačno napravimo lekove koji se aktivno bore protiv virusnih oboljenja. Profesor Dušan Bogunović i njegov tim na Medicinskom fakultetu Icahn pri medicinskom centru Mount Sinai u Njujorku otkrili su retku mutaciju koja je potencijalni ključ za borbu protiv virusa. Proteinski molekul zvan ISG15 nalazi se u svim ćelijama naših tela i deo je kontrolisanja imunog odgovora na brojna oboljenja. Širom planete, jedna osoba na svakih deset miliona ljudi ima specifičnu mutaciju gena za ovaj molekul, tako da njihovi imuni sistemi mnogo brže reaguju na oboljenja i razvijaju imuni odgovor ranije, pre nego što se virusi namnože u tkivima. Profesor Bogunović trenutno testira potencijalne lekove koji bi na bezbedan način naterali imuni sistem obične osobe da se ponaša kao onaj kod čoveka sa mutacijom ISG15 gena.

Baterije „dišu”

Ko o čemu, mi o baterijama. U nedavnom tekstu posvećenom razvoju novih baterija (SK 11/2016) pisali smo opširnije o tome kako su baterije svuda oko nas, od uređaja u našim džepovima, preko vozila do elektrodistributivne mreže zahvaljujući kojoj funkcioniše moderno društvo. Zato nas uvek fascinira kada se objavi neko novo otkriće na ovom polju.

Dok je obećanje efikasnijih i jeftinijih baterija uvek dobra stvar, šta ako te nove baterije mogu i da pomognu u borbi protiv globalnog zagrevanja. Jedan od faktora koji utiče na efekat staklene bašte je nagomilavanje ugljen-dioksida u atmosferi, a svi poznati mehanizmi za smanjivanje njegove koncentracije zahtevaju veliku količinu energije. Istraživači sa Univerziteta Kornel rešili su da na taj problem bace pogled sa druge strane – da li je moguće napraviti proces koji troši CO2 iz vazduha i pravi energiju? Rezultat njihovog rada je nova vrsta elektrohemijske baterijske ćelije koja ne samo što pravi energiju, nego na kraju svog životnog veka nije đubre nego vredan resurs. Kako je to moguće? Anoda ove baterije je od metalnog aluminijuma, dok je katoda od penastog ugljenika u koji se ubrizgava mešavina gasovitog kiseonika i ugljen dioksida. Al, O₂ i CO₂ reaguju, stvarajući aluminijum-oksalat (C₆Al₂O₁₂) uz oslobađanje energije. Tokom svog rada, baterije napravljene od jednog kilograma aluminijuma „zarobiće” više od tri kilograma CO₂ iz vazduha, a dobijeni aluminijum-oksalat može da se iskoristi kao sirovina pri proizvodnji sredstava za čišćenje (na svetskom nivou se godišnje troši više od 230.000 tona aluminijum-oksalata). Nakon što su demonstrirali da baterija radi, troši CO₂ i pravi oksalat, članovi tima okrenuli su se ka sledećem, najvažnijem koraku ka širokoj upotrebi ove tehnologije – minijaturizaciji baterije i naravno, osmišljavanju ekonomski povoljne proizvodnje.

Sa druge strane, na Univerzitetu Binghamton već neko vreme teče razvoj baterija koje zaista dišu i prave se od papira. Tačnije, na list papira se sa jedne strane sprejem nanosi tanak sloj nikla, a sa druge se ugljeničnom bojom štampa anoda. Kada se na taj papir doda kap prljave vode dobija se struja, zahvaljujući disanju bakterija u toj kapi vode. Jačina dobijene struje zavisi od konfiguracije ćelija odnosno načina na koji je papir savijen. Tako u šest baterija u tri paralelne serije daje 31,51 mikrovat pri 125,53 mikroampera, dok konfiguracija 6 x 6 daje 44,85 mikrovata pri 105,89 mikroampera. Iako se snaga meri mikrovatima, to je više nego dovoljno za niskoenergetske biosenzore koji takođe mogu da se štampaju na papiru i to po ceni od samo nekoliko centi. Zašto je ovo bitno? Zato što se na takav način eliminiše potreba za skupom laboratorijskom opremom, a omogućava se brza i jeftina dijagnoza milionima ljudi širom sveta. Neprofitna organizacija Diagnostics For All pomaže naučnicima iz celog sveta da osmisle ovakve papirne biosenzore za testiranje specifičnih oboljenja i u prvoj grupi senzora koji će ući u proizvodnju biće oni za određivanje vrednosti enzima jetre, kao i otkrivanje malarije, ebole i tuberkuloze. Sledeća generacija senzora biće testovi nukleinskih kiselina koji će moći da otkrivaju fragmente DNK uzročinka bolesti, što znači još raniju dijagnostiku brojnih oboljenja.

Materijali

Jedan od materijala sa najvećim potencijalom da utiče na život svih ljudi razvijen je za potrebe litijum-jonskih baterija. U pitanju je takozvani nanoporozni polietilen ili, kraće, nanoPE. Ako vam polietilen zvuči poznato to je zato što je u pitanju najobičnija, prozirna PE plastika. Ono „nanoporozni” označava činjenicu da materijal nije nepropusan kao obična plastika, nego je ispresecan mrežom sićušnih kanala, prečnika od pedeset nanometara do jednog mikrometra. Kako će ovaj materijal da utiče na našu svakodnevicu? Kao odeća, naravno! Trenutni high-tech materijali za sportsku opremu hlade osobe koje vežbaju zahvaljujući isparavanju znoja, ali glavni razlog zagrevanja, zadržavanje infracrvene toplotne radijacije naših tela i dalje nije rešen. Profesor Yi Cui sa Univerziteta Stenford razvio je specijalnu tkaninu sa dva sloja nanoPE između kojih je mreža pamučnih vlakana kroz koju se infracrvena radijacija slobodno širi i tako neprestano odvodi toplotu od tela. Cui se nada da bi odeća od tog materijala u letnjim mesecima znatno smanjila potrebu za korišćenjem klima uređaja.

U potrazi za novim materijalima sa specifičnim svojstvima, stručnjaci nastavljaju sa evolucijom i simulacijom poznatih „hitova”. Hemičarima je odavno poznat koncept superatoma, klastera male grupe atoma koji se ponašaju kao jedinstveni, veći atom koji ne bi trebalo da postoji, a ima svojstva koja su ekstremno korisna kao što je superprovodljivost. Šira upotreba superatoma je problematična, jer se oni ekstremno teško povezuju u veće strukture. Naučnici sa Univerziteta Kolumbija imaju ideju kako da zaobiđu taj problem – pravljenjem takozvanih „dizajnerskih supermolekula”. Korišćenjem naprednih simulacija moguće je osmisliti načine na koje superatomi mogu da se slože u postojane molekule koji mogu da se povezuju jedni sa drugima. Tako su naučnici uspeli da sintetišu supermolekul koji se sastoji od parova i trojki kobalt-selenskih klastera. Ovakvi materijali olakšaće unapređivanje razvoja savitljivih senzora i ekrana, pametne odeće i još boljih baterija, koje su, čini se, nezaobilazna stavka u svakoj priči.

• • •

Da li će pomenute tehnologije imati uticaja na naše živote u godinama pred nama i koliki će taj uticaj biti? Istina je da možemo samo da nagađamo i nadamo se najboljem. Sem toga, veoma je verovatno da će mnogo veći uticaj od navedenog imati nešto što nismo pomenuli, jer još uvek nije ni otkriveno. Naravno, kada se bilo kakva nova tehnologija pojavi, mi smo tu da vas informišemo. Do tada, razmišljajte kako da unapredite svet oko sebe.

Dragan KOSOVAC