«Вы обещали мне колонии на Марсе. А получил я Facebook» – с такой хлесткой цитатой астронавта Базза Олдрина вышел в апреле журнал MIT Technology Review. Основная мысль – человечество, кажется, разучилось решать по-настоящему большие проблемы и стремиться к чуду. А вместо фантастических технологий из кино, которые полностью меняют жизнь человека, мы получили лишь игрушки, заставляющие нас потреблять и развлекаться.
Справедливо ли обвинение? Не совсем. Уже сейчас в разработке и близко к стадии готовности находятся десятки фундаментальных новых технологий, которые обещают переменить мир в течение ближайшего столетия. Slon Magazine выбрал из них самые неожиданные, самые многообещающие и долгожданные.
Конец «нефтяного проклятия»
Газогидраты – это молекулы газа метана, «облепленные» вокруг молекулами воды. Такой «газ в клетке» образуется при определенной комбинации температуры и давления: например, при нулевой температуре давление должно быть не менее 25 атмосфер. Такое давление и температура встречается в море на глубине 250 метров и более.
Внешне газогидраты похожи на грязноватый снег или кристаллы, которые на поверхности стремительно испаряются. Если их поджечь, они горят жарким пламенем. Это неудивительно – из одного литра газогидрата получается почти 180 литров метана.
В марте этого года японская государственная компания JOGMEC сообщила о первой успешной экспериментальной добыче природного газа метана из газогидратов, залегающих на морском дне. Японцы надеются решить все побочные проблемы с добычей газа из донных газогидратов в течение нескольких лет, и тогда страна превратится из импортера в экспортера газа.
Весь мировой газовый рынок может кардинально измениться. Сейчас общемировые запасы метана в «обычных» месторождениях составляют около 180 трлн кубических метров (доля России – около 48 трлн). В сланцевых месторождениях хранится еще около 240 трлн кубометров метана. Итого – где-то около 420 трлн кубометров.
А вот суммарный объем метана в подводных газогидратах оценивается в 20 тысяч трлн кубических метров, то есть в 50 раз больше, чем на суше! Этих запасов хватит на несколько столетий самой беспощадной эксплуатации.
Японская технология может открыть огромные возможности для самых разных стран мира, имеющих выход к морю. А газ метан может стать на долгое время основой нашей энергетики: и как топливо для электростанций, и как источник энергии для автомобилей.
Органы из пробирки
Все идет к тому, что люди будут менять органы в собственном теле, как запчасти в автомобиле. Сегодня врачи умеют пересаживать большинство органов: почки, легкие, сердце, печень, даже роговицу. Но для трансплантации органа непременно нужен донор – живой или мертвый. А доноров всегда меньше, чем людей, в них нуждающихся. И чем больше развивается трансплантология, тем острее дефицит органов. Но параллельно развиваются и клеточные технологии, которые позволят решить эту проблему.
Стволовые клетки, которые, созревая, превращаются в клетки любых тканей и органов, известны давно. В 2006 году японский биолог Синъя Яманака посредством сложных генетических манипуляций как будто повернул клеточное время вспять и зрелую дифференцированную клетку вернул в состояние стволовой. Благодаря этой работе он прославился на весь мир и получил в прошлом году Нобелевскую премию. Получил вполне заслуженно: ведь если мы умеем получать стволовые клетки, то с их помощью можно ремонтировать поврежденные органы и даже выращивать новые.
Собственно, это уже вовсю делается. Например, в лабораторных экспериментах уже возможен частичный ремонт сердца, когда стволовые клетки замещают ткань рубца после инфаркта. Для этого клетки рубца перепрограммируются с помощью специальных веществ, регулирующих активность генов и рост сосудов в области рубца, и со временем на его месте образуется здоровая сердечная мышца. Методы превращения постоянно совершенствуются: в работе, опубликованной в Nature, авторы излагают способ получения большого количества стволовых клеток в тканях, причем не в пробирке, а в живом организме.
Еще перспективнее выглядят эксперименты по выращиванию целых органов в пробирке. Для этого, помимо стволовых клеток, требуется только каркас органа. Чтобы изготовить его, ученые из Главной массачусетской клиники поставили лабораторный эксперимент на крысах: взяли почку от одного животного и с помощью мыльного раствора удалили из нее все живые клетки. Так получился «скелет» органа, состоящий из соединительной ткани. Этот скелет ученые заполнили стволовыми клетками от мыши-реципиента и поместили все это в раствор, содержащий все необходимые вещества.
Со временем стволовые клетки заполнили пространство, и почка ожила. Ее даже удалось успешно пересадить крысе: орган из пробирки фильтровал кровь и производил мочу.
В августе в свет вышла еще более впечатляющая работа, авторы которой создали каркас мышиного сердца и заселили его человеческими стволовыми клетками. Получился целый новый орган, способный биться (и страдать).
Пока что все эти эксперименты успешно проведены на мышах. Начать клинические испытания на людях не позволяют пока соображения безопасности, однако, по словам исследователей, эти проблемы могут быть улажены в течение ближайших пяти – десяти лет.
Персональные ранцы для полета
Летать свободно, садясь везде, где хочешь, ну или почти везде, – это ли не голубая мечта человека, реализуемая только в прекрасных снах? Энтузиасты из новозеландской компании Martin Jetpack упорно приближаются к этой мечте. В августе 2013 года их летающее устройство под названием «Прототип-12» получило разрешение на проведение пилотируемых испытаний в свободном полете на открытом воздухе. Это важнейший этап в процессе сертификации сверхлегкого летательного аппарата.
Конструкция работает, используя стандартный авиационный двигатель внутреннего сгорания, который вращает два вентилятора. Благодаря этому вопрос поиска топлива не стоит. Отказ от реактивных двигателей позволил радикально сэкономить на топливе – существующий прототип уже может держаться в воздухе полчаса, что немыслимо для реактивных и ракетных систем. Для облегчения полета существует автопилот, и в принципе он может доставить человека на место сам, надо только указать куда.
Жужжащий авиаранец в первую очередь востребован спасателями, пожарными, полицией, возможно – военными. Он может стать эффективным транспортом на среднеблизких расстояниях, где велика доля естественных преград: рек, озер, заливов, гор, – то есть где по прямой добираться недалеко, а по земле в объезд – долго и муторно. И за ранцами уже выстраивается очередь желающих взмыть с порога своего дома и встретить утро нового дня в бескрайнем небе.
Экзоскелет для пожилых и инвалидов
В развитых странах растет доля пожилых людей. Поэтому задача обеспечения максимально долгой полноценной жизни человека потихоньку выходит на первый план. Мало того, с изменением демографической ситуации неминуемо будет расти и пенсионный возраст. Одна из главных проблем – это помощь в передвижении человеку, который в силу возраста или болезней уже не может ходить с той же легкостью, что и в молодые годы. И пожилые люди должны иметь возможность перемещаться не только от телевизора в туалет, но и на работу, в гости, заниматься спортом – в общем, вести полноценную социальную жизнь.
Идея создания экзоскелета, который взял бы на себя большую часть нагрузки, буквально витала в воздухе, ее прекрасно пропиарили в нескольких фантастических фильмах. На острие прогресса оказались японские разработки – все же Япония самая «старая» страна мира; доля людей старше 65 лет составляет рекордные 22% (доля подростков до 14 лет – всего 14%).
Ближе всего к фантастическому, киношному, экзоскелету стоит разработка японской компании Cyberdyne – это полноценный робот-экзоскелет HAL. Он позволяет облегчить движения всего тела, включая руки, ноги и туловище. Эта система, работающая автономно около двух с половиной часов, в первую очередь предназначена для реабилитации инвалидов и травмированных людей.
Компания Honda создала нечто менее заметное, но в перспективе более массовое. Речь идет об экзоскелете для ног Walk-assist, с поддержкой или без поддержки веса. Тот, который без поддержки веса, просто помогает работать мышцам бедер и ягодиц. Система с поддержкой веса позволяет приседать, ходить по лестницам и... долго и монотонно работать на конвейере – система отрабатывается как раз на автомобильных заводах компании. С такими экзоскелетами люди в возрасте смогут дольше вести активную жизнь, ну а к внешнему виду легко привыкнуть.
Дом, который не утонет
Можно спорить о том, с чем связано глобальное изменение климата, которое часто называют «глобальным потеплением», но сам факт происходящего многие уже ощутили на себе. Ведь изменение климата – это не только повышение уровня Мирового океана, с которым еще можно мириться (3 мм в год – не так уж и много в масштабах человеческой жизни). Это и катастрофический рост числа шквалов, ураганов и долговременных проливных дождей, которые оборачиваются катастрофическими наводнениями.
Более всего боятся наводнений те, кто живет ниже уровня моря. Чтобы решить эту проблему, голландская компания Dura Vermeer Group стала проектировать и строить дома на герметичном железобетонном монолитном фундаменте с направляющими сваями. В нормальных условиях дом может стоять над землей на опорных колоннах или вообще плавать на поверхности воды в водоеме. При повышении уровня воды или затоплении территории бетонный понтон-фундамент спокойно всплывет, скользя по направляющим сваям, оставаясь на своем месте. После спада уровня воды дом вновь вернется в исходное положение. Мало того, голландцы разработали простую технологию изготовления таких фундаментов для теплиц.
Монолитное железобетонное основание с пористым наполнителем имеет очень высокую прочность, не портится в воде (пример – плотины гидроэлектростанций и причалы), при этом не нуждается в дорогостоящих инженерных изысканиях. Оно не перекособочится, ему безразличны осадки. Такие дома уже строятся, и хотя $310 тысяч – совсем не дешево, возможно, это стоит того: шанс спать спокойно, не вслушиваясь в шум дождя за окном. В общем, дом будущего – это Ноев ковчег, в котором не страшны никакие потопы.
Таблетки лично для вас
«Индивидуальный подход» – затертое клише из рекламного словаря коммерческих клиник и салонов красоты. Между тем в серьезной медицинской науке вовсю разрабатывается и потихоньку начинает применяться действительно индивидуальный подход, основанный на уникальных генетических свойствах каждого человека.
Большинство человеческих недугов хотя бы отчасти определяются генами. В зависимости от конфигурации определенных генов и их сочетания человек может иметь предрасположенность к инфаркту, диабету или раку. Даже склонность к депрессиям, биполярному расстройству и другим психическим заболеваниям зависит от генов. Чем больше ученые узнают о наследственной природе и молекулярных механизмах развития этих болезней, тем больше появляется идей, как можно индивидуально подбирать лечение.
Уже сейчас этот метод используется в подборе терапии рака. Например, современные биологические лекарства (такие как герцептин) стоят несколько тысяч долларов за одну инъекцию и эффективно работают, но только у тех пациентов, рак которых вызван определенными мутациями. Прежде чем назначать такое дорогостоящее лечение, врачи посредством ДНК-тестирования определяют, будет ли в нем прок. В будущем персонализированный подход, возможно, позволит отказываться от такой тяжелой артиллерии, как обычная химиотерапия, известная плохой переносимостью и множеством побочных эффектов.
Помимо онкологии, персонализированный подход может быть эффективен в лечении болей, особенно тех, против которых бессильны обычные анальгетики, а также в профилактике и лечении сердечно-сосудистых болезней, иммунных расстройств.
Таким образом, скоро лекарства будут создаваться, как в старые добрые времена, когда аптекарь смешивал порошки индивидуально по рецепту врача лично каждому пациенту.
Только, конечно же, это будет происходить на качественно новом уровне – например, при помощи специальных принтеров, печатающих таблетки.
Возвращение дирижабля
Живя в большом городе, в это трудно поверить, но на планете полно мест, где посреди огромных территорий разбросаны населенные пункты, практически не имеющие нормальной связи ни друг с другом, ни с Большой землей. Прокладывать туда железные или автодороги не имеет никакого экономического смысла, и даже устройство полноценных взлетно-посадочных полос не оправдывает себя. Речной и морской транспорт также далеко не везде доступны, да и медлительны.
Решение транспортного вопроса предложили канадские инноваторы из компании Solar Ship: проект гибридного летательного аппарата наподобие дирижабля, который питался бы электроэнергией от солнечных батарей. Особенность этой системы – дельтовидная форма баллона, в который закачивается гелий. Общая масса аппарата несколько больше, чем подъемная сила самого баллона. Чтобы взлететь, ему надо «разбежаться» за счет двигателей, которые питаются от аккумуляторов или солнечных батарей, наклеенных на его верхней части.
Такая схема обеспечивает лучшую управляемость аппарата, он не нуждается в причальных мачтах, требуется меньше дорогого гелия. Для разбега и посадки ему достаточно 50–100 метров. В случае остановки двигателей в воздухе система плавно опускается на землю за счет своего малого относительного веса и очень большой парусности надувного крыла.
В северных широтах России и Канады в летние месяцы суточная солнечная инсоляция немногим отличается от тропической. Поэтому летом такие гибридные дирижабли смогут дешево перемещаться от одного населенного пункта к другому, перевозя людей и грузы. Ну а зимой на них можно будет поставить бензиновые генераторы. Канадцы уже вовсю испытывают в полете прототипы своих дирижаблей, дешевых в производстве и эксплуатации, простых в управлении, безопасных в полете.
Прививки от всего
Есть мнение, что, несмотря на все удивительные высокотехнологичные методы, которые появляются в медицине, спасут человечество от вымирания не они, а старые добрые вакцины (а также новые вакцины, которые появятся в будущем). Прививка – это самый социально справедливый инструмент в руках врачей: она избавляет от необходимости в затратном лечении, сама стоит сравнительно недорого и предотвращает целые эпидемии. По данным американского Национального института здоровья, один доллар, вложенный в прививку кори, экономит 21 доллар бюджета здравоохранения.
Бытует популярная конспирологическая теория, что фармкомпании навязывают нам опасные и ненужные вакцины исключительно ради обогащения. Нет ничего более далекого от истины: новые вакцины появляются редко именно потому, что в фарминдустрии эта отрасль считается высокорискованной и не особенно прибыльной. Весь рынок вакцин составляет не больше двух процентов от рынка лекарств, и приносят они фармкомпаниям гораздо меньше, чем популярные в народе бессмысленные лекарства от простуды и гриппа.
Тем не менее прогресс идет. Можно условно разделить появление новых вакцин на три этапа. В ближайшие десять лет должны появиться новые, более эффективные и безопасные прививки от тифа, бактериального менингита и пневмококка, а также прививка от шигеллеза. Несколько сложнее с прививкой от стрептококка А.
Через 10–20 лет должны появиться долгожданные вакцины от малярии, туберкулеза и ВИЧ – вот это будет действительно большой прорыв, который позволит сократить смертность в странах с неразвитой медициной и высоким уровнем этих болезней.
На третьем этапе, лет через 20–25, появятся прививки от аутоиммунных заболеваний (например, целиакии или детского диабета) и некоторых видов рака (уже сегодня существует прививка от рака шейки матки, источником которого служит папиллома-вирус человека). Так что, несмотря на все усилия антипрививочного движения, человечество должно обрести иммунитет к самым распространенным болезням в ближайшие двадцать лет.
Космический лифт и многоразовые ракеты
Авиабилет из Москвы в Солт-Лейк-Сити и обратно стоит около $1000. Округляя, вы пролетаете половину планеты за сумму, равную месячной российской зарплате. Не так уж и дорого: несколько сотен лет назад на это могли уйти месяцы, а стоимость экспедиции была такова, что ее приходилось финансировать королю.
Полет в космос на корабле «Союз» сейчас стоит $45 млн. Почему так дорого? Ведь мы видели космическую ракету на ВДНХ – это кусок металла, по размерам сравнимый с самолетом, который несет вас в Солт-Лейк-Сити, и тоже заправленный керосином. Допустим, металл кое-где получше, но даже с учетом всех разумных поправок разница между $1000 и $45 миллионами кажется неоправданной. Причина в том, что аэробус может в течение срока своей эксплуатации отработать несколько тысяч рейсов, а космическая ракета летает лишь однажды. Все ее ступени либо падают на Землю, превращаясь в металлолом, либо сгорают в атмосфере. Назад возвращается только маленький отсек, тоже рассчитанный всего лишь на один полет.
Советский «Буран» и американские челноки называются многоразовыми кораблями только на бумаге. «Буран» совершил один полет, «Дискавери» – 39; кроме того, они не способны выйти в космос без ракеты-носителя, которая большей частью тоже гибла в результате пуска.
Положить этому конец и резко снизить стоимость полета в космос решил американский предприниматель, глава SpaceX и Tesla Motors Элон Маск. Его ракета Falcon 9 выводит в космос многоразовый космический корабль Dragon. Однако в планах Маска – сделать ракету полностью многоразовой. Идея спускать первую ступень на парашютах не сработала – такой спуск и посадка на воду оказались слишком суровыми для массивной металлической конструкции. Тогда Маск решил, что ступени должны возвращаться на космодром и садиться на реактивной тяге с включенным двигателем, как это происходит в фантастике. При спуске двигатель работает с меньшей тягой, достаточной только для того, чтобы плавно спускаться.
Впрочем, лучше один раз увидеть. На видео испытания аппарата под названием Grasshopper («Кузнечик»). Он летает пока невысоко, но принципиально все понятно.
Есть и еще более радикальный проект снижения стоимости вывода грузов в космос – космический лифт. Идея его проста: трос огромной длины одним концом прикреплен к Земле, а другой его конец с противовесом уходит далеко в космос. Трос вращается вместе с Землей. К направленному вертикально в небо тросу можно прикрепить лифт, который с грузом и людьми будет по нему заезжать наверх. Никаких перегрузок, сверхзвуковых скоростей, отбрасываемых ступеней, рева двигателей, – зашел, нажал кнопку и едешь.
Основная проблема создания такой гигантской конструкции – трос. В обычных лифтах трос должен выдерживать в основном вес кабины с людьми, но трос космического лифта должен выдерживать не столько кабину, сколько собственный вес, который – при длине сооружения в сотни километров – будет тоже огромным. Единственный известный человечеству материал, который в принципе дает такую возможность, – углеродные нанотрубки. Однако на практике самые прочные созданные нити из нанотрубок дают только 80 процентов требуемой для создания лифта прочности и при этом имеют длину в микрометры. Есть и более длинные тросы, но они в разы слабее.
Прогресс в области создания сверхпрочных материалов идет, ведь это коммерчески привлекательная область, и за последние годы прочность материалов выросла в несколько раз. Что касается лифта в целом, то пока им занимаются лишь энтузиасты. Самая высокая экспериментальная конструкция имела высоту около одного километра.
Бесплатная энергия Севера
Ветер – бесплатный носитель энергии, однако долгое время развитие ветроэнергетики в высоких широтах не представлялось возможным. Проблем было три: обледенение лопастей ветряков, загустение смазки в редукторах генераторов и неравномерность воздушного потока у поверхности земли и на уровне верхней лопасти. Из-за всего этого на Севере можно было пользоваться только маленькими ветрогенераторами локального назначения.
Финский стартап Merivento практически с нуля спроектировал и построил в 2012 году ветрогенератор специально для северных условий. Ветряк имеет мощность 3600 киловатт, диаметр его ротора – 118 метров, и установлен он на башне высотой 125 метров. Башня дополнительно крепится тремя парами вант, что делает ее особо устойчивой. Для первого прототипа гарантированный диапазон рабочих температур от -30º до +40º, в новых моделях он может быть расширен.
С загустением смазки в редукторах финны справились просто – это генератор прямого вращения на постоянных магнитах, никаких коробок передач и редукторов. Лопасти ветрогенератора, каждая длиной более 50 метров, оснащены противообледенительной системой, которая работает так же, как на самолетах. Ну и от неравномерности воздушного потока защищает система, которая автоматически регулирует угол атаки лопасти, аналогичная той, что стоит на вертолетах.
Творчески соединив три известные технологии, финские инженеры из городка Вааса создали работающую систему, которую можно ставить в условиях Крайнего Севера, где зимой нет солнца, зато полно холодного мощного и порывистого ветра. Ветряки могут устанавливаться как на скальном основании на суше, так и на песчано-глинистом грунте в море, и на затапливаемых землях – ему наводнение нипочем. Такие системы, обеспечив потребителям автономную и сравнительно недорогую энергию (в Финляндии ее себестоимость составит 6–9 евроцентов за 1 киловатт-час), в населенных пунктах Сибири и Крайнего Севера помогут радикально изменить образ жизни людей.
