Фото: REED SAXON/AP
Попсував нам крові цей минулий рік, він був найгіршим з можливих – стільки видатних людей відійшло, стільки посередностей затріумфувало. Але є галузі, в яких цей рік проявився з найкращого боку. Ми були свідками кількох наукових відкриттів, хоча, на жаль, декотрі з них пройшли непомітно, бо увага світових ЗМІ була прикута до політичних і господарських криз.
Попри те, люди через 100 років будуть пам’ятати про реєстрацію перших гравітаційних хвиль, розведення яєць поза організмом матері, перші генетичні модифікації людини або появу кишенькових секвенсорів ДНК, ніж теперішню політичну кризу, – повідомляє Wyborcza.pl.
То що нас чекає?
Сонячна енергія
Цей рік може бути переломним у царині, що забезпечує найбільшу потребу світу, – чистих джерел енергії. Сьогодні відомо, що не інтелігентність, мова, здатність до співпереживання, свідомість чи схильність до уявлення собі того, що думають інші, відрізняють нас від інших тварин. Доведено, що всі ці якості притаманні також представникам інших біологічних видів. Унікальним є дещо інше – наше вміння здобувати, зберігати і використовувати енергію, починаючи від мистецтва освоєння вогню. Однак це довело світ майже до межі катастрофи, бо спалення викопного палива призводить до викидів в атмосферу парникових газів, що робить Землю все менш придатною до життя.
Розв’язанню цих проблем може сприяти підкорення енергії, яка кожного дня доходить до нас з Сонця і є джерелом життя.
Потужність всіх фотоелектричних елементів у світі вже становить 230 ГВт, а за останні роки зросла до 230 тисяч разів. У 1975 році треба було заплатити 100 доларів за сонячну установку потужністю 1 W, тепер – заледве 60 центів. Ми наближаємося до критичної точки, коли встановлення сонячної панелі буде дешевшою, ніж подібної потужності генератора на вугілля, нафту чи газ. Згідно зі звітом Світового економічного форуму за грудень 2016 року, така зміна витрат вже відбулося у понад 30 країнах світу.
У США вперше найбільше зростання потужності було зафіксовано, власне, у сфері сонячної енергетики, що випередила нові газові установки та вітряки. Натомість не було подано в експлуатацію жодної нової електростанції, що використовує вугілля.
Матеріалом майбутнього вважають, однак так званий перовскіт – синтетичний матеріал, кристалічна структура якого має вигляд мінералу під назвою перовскіт. Його головною перевагою є просте і дешеве виробництво. Недоліком була низька продуктивність, але науковцям з Австралії вдалося виробити первоскітову енергію з рекордною ефективністю 12, 1 % (такий шматок сонячної енергії, що падає на матеріал, заміняють на струм). Науковці впевнені, що у незадовго – може навіть у найближчі місяці – їм вдасться осягнути ефективність до 24 %, відтак її можна порівнювати з ефективністю кремнієвої енергії.
Новітні акумулятори
Порівняно з успіхами у використанні енергії сонця та вітру, слабкістю нашої цивілізації є брак добрих акумуляторів, тобто пристроїв для накопичення енергії. І надалі спалення літра бензину дає понад 100 разів більше енергії, ніж можна нагромадити в найкращій батареї цієї ж ємкості. Тому автомобілі з електричним приводом програють у порівнянні з двигунами внутрішнього згоряння.
Спроби витягнення ще більше енергії, ще більше потужності від літій-іонних акумуляторів часто закінчуються їхнім вибухом або загорянням. Тому триває пошук матеріалів нової генерації, завдяки яким можуть з’явитися суперконденсатори, відтак дуже місткі акумулятори, яких можна блискавично зарядити, а потім поволі використовувати накопичену в них енергію. І вони не будуть вибухати. Проте у цьому напрямку не видно великого поступу, що відчуваємо на власній шкірі, коли телефон чи ноутбук розряджається нам за кілька годин.
Це стосується не лише мобільних пристроїв і транспорту (для якого головним паливом є бензин), а також великої енергетики. Адже разом зі збільшенням використання енергії сонця та вітру зростає нестабільність енергетичних систем. Треба мати напоготові звичайні електростанції, коли бракує сонячних променів та стихає вітер. Коли б у нас були дешеві і місткі магазини енергії, ми б могли покладатися лише на відновлювальну енергію. Потребуємо тут перелому, якого не видно на горизонті. Але як показує історія, технологічні стрибки відбуваються тоді, коли їх ніхто не сподівається.
Святий Грааль, або передача без втрат
Якщо йдеться про відкриття, які нас здивують у 2017 році, то ймовірно, це будуть високотемпературні надпровідники, тобто матеріали, що проводять електроенергію без будь-яких втрат. Донедавна це явище спостерігали при дуже низьких температурах, наприклад – рідкого гелію. Використовувати надпровідники можна було лише у спеціалізованих лабораторіях, які могли собі дозволити дороге охолоджувальне обладнання.
Наприкінці століття несподівано було відкрито керамічний матеріал, який є надпровідником у вищих температурах, вже дещо вище температури рідкого азоту. Цю істотну відмінність між вартістю рідкого гелію та вартістю рідкого азоту можна порівняти з вартістю пляшки доброго коньяку і пакету молока. З використанням цих керамічних надпровідників вже проектують швидкі колії на магнітних подушках в Японії, Китаї, Німеччині і США, а також медичні сканери fMRI для рентгену тіла чи магнітні енцефалографи для дослідження активності кори головного мозку.
Але Святим Граалем тут є матеріали, які були б надпровідниками при кімнатній температурі і не потребували жодного охолодження, навіть холодної води. Їх відкриття означало б неймовірний здобуток, подібний до винаходу електрики, – пояснює професор Джозеф Спалек, лауреат «польського Нобеля» – нагороди польського фонду науки, автор так званої моделі t-J, яка з-поміж іншого пояснює, в який спосіб матеріали нового типу стають надпровідниками.
У надпровідникових лініях передач електроенергія передавалася б практично без втрат, а створена з надпровідників електроніка взагалі б не нагрівалася, відтак її можна було б ще більше змініатюрити. Отож, не будуючи жодної нової електростанції, світ отримав би, щонайменше, одну третю електричної енергії, яку сьогодні втрачаємо через її пересилання, а також в результаті нагрівання всіх електричних приладів, починаючи від комп’ютерів. Ну і можна було би встановлювати сонячні електростанції там, де нема проблем з сонячними променями, наприклад, у Сахарі. А потім пересилати енергію без втрат туди, куди потрібно.
Дива з ароматом тухлих яєць
До великої несподіванки у цій галузі дійшло зовсім недавно. Рік тому російські фізики, які працюють у Німеччині, відкрили надпровідники у рекордно високій температурі – мінус 70 градусів С – і це в сірководні. Ніхто цього не сподівався від даної субстанції, яка смердить, як тухле яйце. Насправді сірководень був стиснутий у діамантовій ковадлі і надалі при температурі, нижчій, ніж в Сибіру. Але фізики не виключають, що інші зв’язки водню, наприклад, з селеном чи платиною, показують надпровідність у нормальніших умовах.
За словами професора Спалека, в лабораторіях тривають перегони до надпровідникових матеріалів майбутнього. Останнім часом відкрито надпровідність в пластмасі. Багато висновків не одразу публікують. Інститути і фірми спочатку патентують відкриття, а потім оголошують про них.
Квантові комп’ютери
Нові надпровідники, найімовірніше, будуть використовувати під час створення квантових комп’ютерів, які дадуть можливість робити обрахунки незвичайного рівня складності, а також моделювати квантові системи. Це означає, з його допомогою зможемо проектувати матеріали з необхідними квантовими властивостями, що сьогодні робили дещо навпомацки, методом проб і помилок. Бо навіть з допомогою найпотужніших суперкомп’ютерів не можемо обрахувати, як будуть поводитися електрони та іони під час випробування матеріалу, до якого додають домішки різних атомів.
Сучасна інженерія матеріалів дуже нагадує кулінарну справу, а квантові фізики – кухарів, які створюють страви, приправляють їх, пробують, чи смачні. Створення квантового комп’ютера буде такою ж революцією, як перехід від абетки до звичайного комп’ютера. Над створенням таких комп’ютерів працюють IBM, Google та NASA, a за ними йде Microsoft. Не виключено, що саме у 2017 році з’явиться перший квантовий комп’ютер, який зможе виконувати операції, вже недоступні для найкращих класичних електричних машин.
Світ Гаррі Поттера
Тихо, також завдяки інженерії матеріалів, проходить революція і в оптиці. Науковці з Гарварду представили у червні в журналі «Science» новий вражаючий вид лінз – товщиною менше діаметра людського волосся, що дають 170-кратне збільшення. Складаються з тонкого шару скла, на якому витравлено мережу точок з діоксин титану висотою всього 600 нанометрів. Загалом фокусує світло так само добре, як товстіші, важчі, які займають більше місця, традиційні лінзи. Без сумніву, скоро їх використовуватимуть у мікроскопах, окулярах до віртуальної реальності, смартфонах. А також космічних телескопах.
Нові метаматеріали, які складаються з мережі мікроскопічних елементів, можна сміливо порівняти з штучними кристалами, яких нема в природі. Їх створюють в лабораторіях і проектують під конкретні завдання. Вони дозволяють маніпулювати світлом у незвичайний для природи спосіб. Одним з таких застосувань може бути, наприклад, накидка-невидимка, під якою можна буде і справді стати невидимим. Чиста магія. Хтозна, може, 2017 рік назвуть роком Гаррі Поттера.
Переклад з польської, Галини Палажій, IA ZIK
