Historia zna wiele koncepcji technicznych, które miały przynieść rewolucję, ale słuch o nich zaginął. Mało kto traktuje już poważnie takie wynalazki jak zapachowa telewizja z lat 60. XX wieku. Z drugiej strony rozwój technologii potrafi zaskoczyć wizjonerów i futurologów. Tak było chociażby w przypadku telefonów komórkowych.

„Prognozowanie jest trudne, zwłaszcza gdy dotyczy przyszłości” – miał powiedzieć genialny fizyk Niels Bohr. Mimo to spróbujemy przyjrzeć się kilku nowatorskim technologiom. Czas pokaże, które z nich będą naprawdę rewolucyjne...

fot. Corbis/Shutterstock

Napęd mikrofalowy

Latające auta i podróż do gwiazd

Choć mamy XXI wiek, nasze pojazdy w niczym nie przypominają tych opisywanych przez futurologów. Samochody jeżdżą po drogach, samoloty owszem, latają, ale zużywają przy tym mnóstwo paliwa i zatruwają atmosferę.

Ba, nawet rakiety kosmiczne nadal bazują na paliwie chemicznym – mało bezpiecznym (co pokazuje niedawna katastrofa pojazdu  SpaceShipTwo), a przede wszystkim ciężkim. Jeśli chcemy rozpędzić pojazd do prędkości pozwalającej opuścić Ziemię, aż 90 proc. jego masy musi stanowić właśnie paliwo. A to sprawia, że podróże kosmiczne są drogie i z reguły krótkie. O podboju gwiazd za pomocą tej technologii nie ma co marzyć.

A gdyby tak zbudować silnik niepotrzebujący żadnego paliwa? A do tego wydajny, bezgłośny i nieprodukujący spalin? Wówczas moglibyśmy nie tylko ruszyć w kosmos, ale doczekać się latających samochodów przypominających te z filmu „Piąty element” czy lewitujących deskorolek (tu kłania się „Powrót do przyszłości”). Nad takim wynalazkiem badacze pracują już od kilkunastu lat.

W 2001 roku brytyjski inżynier Roger Shawyer założył firmę Satellite Propulsion Research. Miała ona zaprojektować nowy rodzaj silnika, dzięki któremu satelity mogłyby obyć się bez zapasów paliwa. Dziś jest to ich pięta achillesowa. Aby satelita utrzymywał się na wyznaczonej orbicie, potrzebuje silników chemicznych. Paliwo do nich stanowi nieraz połowę masy całego urządzenia. Roger Shawyer postanowił stworzyć napęd zasilany wyłącznie elektrycznością i nazwał go EmDrive.

Zasada jego działania jest tyleż prosta, co enigmatyczna. Do zamkniętej komory silnika w kształcie stożka trafia wiązka promieniowania mikrofalowego. Mikrofale odbijają się w jego wnętrzu w taki sposób, że wywierają większy „nacisk” na jeden z końców stożka. W efekcie silnik zaczyna się poruszać. Urządzenie nie ma ruchomych części, nie emituje żadnych zanieczyszczeń. Jest tylko jeden problem – zdaniem wielu uczonych nie powinno działać, ponieważ łamie prawa fizyki, w tym tzw. zasadę zachowania pędu.

EmDrive nie wchodzi w żadne interakcje ze światem zewnętrznym. Nie wylatują z niego spaliny jak w silniku chemicznym. Nie można też porównać go z kosmicznym żaglem, napędzanym przez światło słoneczne (które, podobnie jak mikrofale, jest formą fal elektromagnetycznych). Światło dociera do żagla z zewnątrz i wywiera nań nacisk. Silnik Shawyera w pewnym sensie naciska sam na siebie, a więc powinien stać w miejscu!

Ale podobno nie stoi. W 2003 roku wynalazca zbudował prototyp, który podczas testów wygenerował 16 mikroniutonów ciągu. Nie wystarczyłoby to do poruszenia żołędzia, ale wyglądało jak dowód na prawdziwość założeń technologii EmDrive.

Sprawą zainteresował się na krótko Boeing. Nie nawiązał jednak stałej współpracy ze Shawyerem. Przez długie lata napęd mikrofalowy był tylko obiektem drwin fizyków. Sprawą po cichu zajęli się jednak chińscy naukowcy. Na podstawie projektów Shawyera zbudowali własny silnik mikrofalowy. W roku 2013 ogłosili, że ich urządzenie wyprodukowało ciąg rzędu 720 miliniutonów z kilku kilowatów energii elektrycznej. Wystarczyłoby to do uniesienia dużego jajka. Niby nic, ale w satelitach nie trzeba większej mocy. Chińczycy zapowiedzieli, że będą kontynuować badania w tym kierunku. W 2014 r. w USA przeprowadzono testy silnika mikrofalowego Cannae, zaprojektowanego przez amerykańskiego inżyniera Guido Fettę. Także tu wyniki były obiecujące – i mocno krytykowane przez większość niezależnych naukowców.

Bardziej zaawansowane testy będą kosztowne, a sponsorów badań jakoś nie widać. Mimo to Roger Shawyer tryska optymizmem. Twierdzi, że stosując nadprzewodniki, może skonstruować udoskonaloną wersję Em- Drive. Kilowat energii elektrycznej wystarczyłby wówczas do osiągnięcia ciągu rzędu  10 kiloniutonów. A to oznaczałoby, że silnikiem mikrofalowym, połączonym np. z reaktorem jądrowym, można by napędzać nawet startujące z Ziemi rakiety!

Niedawno Shawyer opracował koncepcję takiego napędu dla samolotu kosmicznego. Przedstawił też projekt sondy międzygwiezdnej, która mogłaby stopniowo rozpędzić się do ogromnych prędkości. Jego zdaniem taki pojazd zostanie zbudowany za najdalej 20 lat. Czy tak będzie? Przekonamy się wkrótce, gdy pojawią się wyniki kolejnych testów EmDrive.

 

Dziś samochód elektryczny trzeba „tankować” przez całą noc. Nowa generacja superpojemnych baterii skróci ten czas do kilku minut!fot. Corbis/Shutterstock

Superbaterie

Naładuj komórkę w minutę,  a samochód w pięć

Nowe technologie często rodzą nowe frustracje. Smartfony i tablety mają wielkie możliwości i równie wielki apetyt na energię. Efekt – jeśli zapomnimy o podłączeniu ich do ładowarki, te mobilne gadżety potrafią wyłączyć się w najmniej oczekiwanym momencie. Szybko wyczerpujące się baterie to jednak szerszy problem. To przez nie samochody elektryczne wciąż nie mogą zdobyć rynku. Dziś ich zatankowanie „do pełna” trwa co najmniej kilka godzin, a na pełnym „baku” można przejechać ok. 100 km. Z kolei przydomowe elektrownie – wiatrowe czy słoneczne – nie mają gdzie magazynować wyprodukowanego prądu.

Baterii potrzebują także konstruktorzy urządzeń medycznych, satelitów, samolotów, narzędzi budowlanych, robotów itd. Poza tym zużyte akumulatory stwarzają zagrożenie dla środowiska, bo często zawierają toksyczne metale ciężkie. Wydajniejsze i bardziej ekologiczne przechowywanie elektryczności stało się wielkim wyzwaniem dla całej branży technologicznej.

Do tej pory stosowała ona dwa wiekowe już rozwiązania. Jedno to tradycyjne baterie czy akumulatory, w których energia jest magazynowana dzięki reakcjom chemicznym. Ich zaletą jest duża pojemność. Wadą – wolne działanie, zarówno podczas ładowania, jak i czerpania z nich elektryczności. Odwrotnie wygląda sytuacja w przypadku tzw. superkondensatorów. W ich przypadku elektryczność jest przechowywana dzięki zjawiskom fizycznym, nie chemicznym. Ładują się i rozładowują błyskawicznie, ale nie mieszczą zbyt wiele energii. Ideałem byłoby coś łączącego zalety obydwu technologii – superbateria, która mieści dużo energii, a ładuje się np. w minutę.

Pomysłów na taki wynalazek jest kilka. Inżynierowie z Nanyang Technological University w Singapurze chcą ulepszyć stosowane dziś baterie litowo-jonowe (Li-ion). Do tej pory jedna z wchodzących w ich skład elektrod była zbudowana z odmiany węgla zwanej grafitem. Singapurczycy chcą go zastąpić żelem zawierającym nanorurki z dwutlenku tytanu. Ma to przyśpieszyć reakcje chemiczne zachodzą-ce w bateriach, co wpłynie na skrócenie czasu ładowania. Nad podobnym rozwiązaniem pracuje firma Power Japan Plus. Do budowy baterii chcą wykorzystać organiczny węgiel uzyskiwany z bawełny. Dzięki temu byłyby one całkowicie biodegradowalne.

Smartfon z baterią izraelskiej firmy Store-Dot ma się ładować w 30 sekund! Umożliwią to tzw. nanokropki – kryształy długości zaledwie dwóch nanometrów, wytwarzane z tanich organicznych surowców. Można ich użyć nie tylko do zwiększenia pojemności baterii, ale także ulepszenia innych elementów elektronicznych, takich jak wyświetlacze, pamięć czy kamery. Nanokropki mogą teoretycznie sprawić, że elektronika będzie całkowicie pozbawiona toksycznego kadmu.

Inny kierunek badań to nowa generacja superkondensatorów, w których można pomieścić więcej energii. Kluczem do ich opracowania może być grafen – specyficzna forma węgla, produkowana m.in. w Polsce. To ultracienka „płachta” składająca się z pojedynczej warstwy atomów, elastyczna i bardzo odporna. Wiele ta-kich warstw można upakować w małej objętości i użyć ich do magazynowania energii.

Pracują nad tym m.in. badacze z University of California w Los Angeles, którym przewodzi prof. Richard Kaner. Podczas eksperymentów odkryli, że połączenie grafenu i elektrolitu pozwala na znaczne zwiększenie pojemności superkondensatora. „Po kilku sekundach łado-wania takiego zaimprowizowanego urządzenia podłączona do niego dioda świeciła przez jakieś pięć minut” – opowiada prof. Kaner. Grafenowa bateria ładuje się i rozładowuje od stu do tysiąca razy szybciej niż zwykły akumulator. Powinna też być bardzo tania w produkcji, bezpieczna w użytkowaniu (nie nagrzewa się podczas łado-wania), no i stuprocentowo ekologiczna.

„Niedawno powołaliśmy do życia przedsiębiorstwo Nanotech Energy. Chcemy skomercjalizować nasze odkrycia” – zapowiada prof. Ka-ner w rozmowie z „Focusem”. Pierwsza wersja opracowana z myślą o produkcji przemysłowej ma się ładować i rozładowywać zaledwie trzy razy szybciej niż współczesne baterie litowo-jonowe, ale to już duży krok naprzód. Inna sprawa, że konkurencja nie śpi. Nad grafenowymi superbateriami pracują także australijscy badacze z Monash University. Ten, kto pierwszy wejdzie na rynek, ma szansę zarobić grube miliardy. No i zyska wdzięczność użytkowników smartfonów z całego świata...

 

fot. Corbis/Shutterstock

Fuzja bąbelkowa

Przydomowa elektrownia termojądrowa

Apetyt ludzkości na energię cały czas rośnie i tak zapewne będzie nadal. Te wszystkie latające samochody zasilane superbateriami będą musiały skądś czerpać prąd. Tymczasem źródła paliw kopalnych wyczerpują się, a zanieczyszczenia emitowane przez tradycyjne elektrownie szkodzą środowisku. Energia termojądrowa, o której pisaliśmy niedawno na łamach „Focusa”, może rozwiązać te problemy. Ale i tak będzie wymagała jeszcze wielu lat badań i wielomiliardowych inwestycji w ogromne elektrownie. Reakcje termojądrowe wymagają wszak podgrzania paliwa – cięż-kich odmian wodoru i helu – do stu milionów stopni. Dopiero wtedy jądra atomów łączą się, uwalniając ogromną ilość energii.

Ale może dałoby się to zrobić w inny sposób? W 1989 r. Martin Fleischmann i Stanley Pons z University of Utah ogłosili, że udało im się przeprowadzić tzw. zimną fuzję. Twierdzili, że wystarczy umieścić elektrody z metalu zwanego palladem w zbiorniku z ciężką wodą (zamiast wodoru zawiera jego cięższą odmianę – deuter) i przepuścić przez nie prąd, by doszło do reakcji połączenia jąder atomowych.

Jednak ich eksperymentów nie udało się powtórzyć, a zimna fuzja stała się synonimem naukowego szwindlu. Jednak część naukowców nie złożyła broni. Prof. Rusi Taleyarkhan z Purdue University od lat bada tzw. fuzję bąbelkową, czyli sonofuzję. W 2002 r. twierdził, że udało mu się uzyskać reakcję termojądrową w pojemniku z „ciężkim” acetonem (zawierającego deuter zamiast wodoru) poddanym działaniu ultradźwięków! Choć powstawało przy tym mało energii, odżyły nadzieje na skonstruowanie niewielkich elektrowni termojądrowych. Firma Impulse Technologies (obecnie Burst Energies) zapowiadała, że będzie produkować urządzenia, które będą mogły zaopatrywać w energię przeciętny dom. Optymizm okazał się nieuzasadniony. Prof. Taleyarkhan został oskarżony o fałszowanie wyników badań. Przydomowych elektrowni bąbelkowych nie ma do dziś. Eksperymenty jednak trwają.

Badacze nie chcą już dziś mówić o zimnej fuzji czy sonofuzji, bo te nazwy źle się kojarzą. Zamiast tego promują termin niskoenergetyczne reakcje jądrowe (LENR). Mają one być podstawą działania elektrowni, którą opracował kontrowersyjny włoski wynalazca Andrea Rossi. Podobno potrafi ona wytwarzać energię z niklu i wodoru, które – pod wpływem owianego tajemnicą katalizatora – zmieniają się w miedź. Także i ta technologia jest kryty-kowana przez fizyków, uważających Rossiego za oszusta. Być może jednak wśród technologii LENR znajdzie się jakiś naukowy diament  – niedawno zainteresował się nimi sam Bill Gates, twórca potęgi Microsoftu.

 

Kioski wyposażone w kompaktowe oczyszczalnie wody mogą uchronić przed chorobami miliony mieszkańców Afryki i Azji / fot. Corbis/Shutterstock

Ultrawydajne Filtrowanie

Koniec ze ściekami i suszą

Złoto, ropa naftowa, uran? Nie. Najcenniejsza substancja XXI wieku jest w zasięgu ręki – w każdym domowym kranie. Nam może to wydawać się dziwne, ale czysta woda to dziś na Ziemi towar deficytowy. Jest potrzebna nie tylko do picia czy mycia się, ale i do podlewania upraw, pojenia zwierząt czy niezliczonych procesów technologicznych. Tam, gdzie jej brakuje, ludzie żyją w biedzie i chorują – mówimy tu o co najmniej miliardzie mieszkańców naszej planety. O zasoby wody pitnej nierzadko wybuchają międzynarodowe konflikty. No dobrze, ale przecież umiemy ją odzyskiwać. Mamy filtry, oczyszczalnie ścieków, instalacje do odsalania... Zapominamy jednak o tym, że są to instalacje albo mało wydajne, albo kosztowne. Oczyszczenie naprawdę „brudnej” wody wymaga zaawansowanych technologii i niemało energii. W efekcie woda staje się droga – zbyt droga, aby to się mogło opłacać krajom rozwijającym się. A kraje rozwinięte mają jej na tyle dużo, że przez wiele lat nie inwestowały zbyt dużo w badania nad oczyszczaniem.

To się jednak zmienia. Naukowcy doskonalą jedną z najskuteczniejszych technik – odwróconą osmozę. Polega ona na pompowaniu „brudnej” wody przez membranę, która przepuszcza cząsteczki H2O, ale nie zanieczyszczenia chemiczne czy biologiczne. Ten proces wymaga stosowania dużych ciśnień, a więc i energii. Jednak nanotechnologia pozwala na spore oszczędności. Kilka lat temu uczeni z University of California w Los Angeles opracowali membrany do odwróconej osmozy, które pozwalały na stosowanie niższego ciśnienia. „Zastosowane przez nas nanocząstki nie tylko skutecznie filtrują wodę, ale też »odpychają« związki organiczne i bakterie, które zatykają klasyczne filtry” – wyjaśniał kierujący badaniami prof. Eric Hoek. Wynalazek jego zespołu trafił na rynek dzięki firmie NanoH20 i dziś jest stosowany w instalacjach odsalających wodę morską.

To jednak za mało, by czysta woda trafiła pod strzechy mieszkańców biednych krajów Afryki czy Azji. Tu potrzebne są rozwiązania bardziej lokalne i oszczędne. Być może rozwiązaniem będą technologie podobne do oczyszczalni SlingShot. Zaprojektował ją Dean Kamen – ten sam, który ma na koncie m.in. elektryczny pojazd Segway. O ile jednak ten dwukołowy skuter okazał się produktem niszowym, stosowanym głównie przez ochroniarzy w centrach handlowych, o tyle SlingShot ma szansę zmienić świat.

Z pozoru oczyszczalnia nie wykorzystuje żadnej nowej technologii. Podgrzewa brudną wodę, a następnie skrapla parę wodną, pozbawioną już zanieczyszczeń. Ten proces to nic innego jak stara, dobra destylacja. Jest jednak pewien haczyk – normalnie wymaga to dużych ilości energii, która jest potem marnowana. Dean Kamen zaprojektował system, w którym ciepło potrzebne do podgrzania wody jest odzyskiwane. W rezultacie SlingShot pracuje bardzo oszczędnie. Urządzenie wielkości lodówki może w ciągu dnia wyprodukować prawie tysiąc litrów czystej wody dosłownie z czegokolwiek – z rzeki, ścieków itd. Energię czerpie z silnika, dla którego paliwem może być dowolna palna substancja, np. wysuszone odchody zwierząt.

Technologia została z sukcesem przetestowana m.in. w Hondurasie i Ghanie. Aby mogła trafić pod strzechy, Dean Kamen nawiązał współpracę z koncernem Coca-Cola. SlingShot ma być częścią Ekocenter – wielofunkcyjnego kiosku. Pełni on rolę lokalnego sklepu, punktu dostępu do bezprzewodowego internetu i ładowania telefonów komórkowych, a zasilany jest bateriami słonecznymi. Kilkadziesiąt takich kiosków trafiło już w ramach programu pilotażowego do biednych krajów Afryki i Azji. Być może to początek wodnej rewolucji...

 

fot. Corbis/Shutterstock

Sztuczna śledziona

Sposób na sepsę, ebolę i HIV

Nasz organizm ma system namierzania i pozbywania się nieproszonych gości. To układ odpornościowy. W jego skład wchodzą liczne „filtry”, takie jak rozsiane po całym ciele węzły chłonne czy śledziona (znajdująca się pod żebrami po lewej stronie). Ich zadaniem jest wyłapywanie i likwidowanie wszelkich groźnych mikrobów. Niestety, liczne choroby zakaźne nękające ludzkość pokazują, że te filtry są dalekie od ideału. Nic więc dziwnego, że naukowcy z Wyss Institute – placówki będącej częścią Harvard University – postanowili zbudować ich ulepszoną wersję. Swój wynalazek nazwali biośledzioną, bo ma to być sztuczny odpowiednik tego właśnie narządu.

Urządzenie ma szybko oczyszczać krew ze śmiercionośnych mikrobów. Początkowo chodziło przede wszystkim o chorych na sepsę. W ich organizmach bakterie i produkowane przez nie toksyny trafiają masowo do krwiobiegu, zatruwając wszystkie narządy. Co roku na całym świecie odnotowuje się ok. 18 mln przypadków sepsy, z czego średnio co trzeci kończy się śmiercią. Co gorsza, u połowy pacjentów lekarze nie są nawet w stanie ustalić, jaki konkretnie gatunek mikroba jest przyczyną problemów. Podają wówczas najsilniejsze antybiotyki, jakie mają do dyspozycji, co często okazuje się nieskuteczne. Choćby dlatego, że coraz więcej bakterii uodparnia się na działanie leków.

Biośledziona ma sobie radzić z mikrobami na innej zasadzie. Działa trochę tak jak sztuczna nerka, czyli aparatura do dializy. Krew jest pobierana z organizmu pacjenta przez specjalną rurkę (dren) i trafia do urządzenia. Tam naj-pierw jest „znakowana” nanokulkami magnetycznymi średnicy pięćset razy mniejszej niż grubość ludzkiego włosa. Kulki są powleczone specjalnym białkiem o nazwie MBL, które po-trafi przykleić się do ponad 90 różnych gatunków mikrobów: wirusów, bakterii i grzybów, a także do toksyn bakteryjnych. Potem krew trafia do magnetycznego filtra, który przechwytuje niebezpieczne elementy. Ostatni etap to przepompowanie krwi z powrotem do krwiobiegu pacjenta.

Wielką zaletą tej technologii jest fakt, że można ją zastosować od razu. Nie trzeba wykonywać badań mikrobiologicznych, by dowiedzieć się, z jakim mikrobem mamy do czynienia. Testy przeprowadzone na szczurach zakażonych m.in. groźnymi bakteriami Escherichia coli i gronkowcem złocistym (Staphylococcus aureus) wykazały, że aż 90 proc. patogenów i ich toksyn zostało usuniętych w ciągu kilku godzin.

Docelowo jedno takie urządzenie ma oczyszczać 500–1000 ml krwi człowieka w ciągu godziny. Badacze zapewniają, że będzie można użyć kilku biośledzion jednocześnie, co przyśpieszy terapię w przypadku pacjentów z sepsą, u których liczy się każda minuta. Nietrudno też wyobrazić sobie inne zastosowania takiego filtru.

Mógłby on usuwać z krwi groźne wirusy, takie jak ebola czy HIV, albo pasożyty, np. zarodziec malarii. Potencjalnie więc technologia ta może uratować miliony ludzi przed przedwczesną śmiercią.

Kiedy sztuczne śledziony pojawią się w szpitalach? Kierujący pracami prof. Donald Ingber, dyrektor harvardzkiego Wyss Institute, podkreśla, że potrzeba na to co najmniej kilku lat. Technologia musi zostać przetestowana najpierw na dużych zwierzętach – pierwsze w kolejce są świnie. Badania z udziałem ludzi to kolejny etap. Badacze są dobrej myśli, ponieważ stosowane przez nich technologie są bardzo podobne do tych stosowanych dziś przy transfuzjach czy dializach. „Mamy do dyspozycji inne techniki filtrowania krwi, ale często uszkadzają one jej elementy, np. białe krwinki. Biośledziona wydaje się rozwiązaniem bezpiecznym i niedającym po-wikłań takich jak zakrzepy” – ocenia dr Adam Higgins, bioinżynier z Oregon State University.