Artystyczna koncepcja bio-nanorobota. Źródło zdjęcia: NASA. Kliknij, aby powiększyć
Jeśli chodzi o kolejny „gigantyczny skok” w eksploracji kosmosu, NASA myśli o małym - naprawdę małym.
W laboratoriach w całym kraju NASA wspiera rozwijającą się naukę nanotechnologii. Podstawową ideą jest nauczenie się radzenia sobie z materią w skali atomowej - aby móc kontrolować poszczególne atomy i cząsteczki wystarczająco dobrze, aby projektować maszyny wielkości cząsteczek, zaawansowaną elektronikę i „inteligentne” materiały.
Jeśli wizjonerzy mają rację, nanotechnologia może prowadzić do robotów, które można trzymać na opuszkach palców, samoleczących skafandrów kosmicznych, wind kosmicznych i innych fantastycznych urządzeń. Pełne rozwinięcie niektórych z tych rzeczy może potrwać ponad 20 lat; inni kształtują się dziś w laboratorium.
Po prostu zmniejszenie rzeczy ma swoje zalety. Wyobraźmy sobie na przykład, że Mars łazikowałby Ducha i Szansę tak małą jak chrząszcz, i mógłby chodzić po skałach i żwirze jak chrząszcz, próbując minerałów i szukając wskazówek dotyczących historii wody na Marsie. Setki lub tysiące tych drobnych robotów mogły zostać wysłane w tych samych kapsułkach, które niosły dwa łaziki wielkości biurka, umożliwiając naukowcom zbadanie znacznie większej powierzchni planety - i zwiększając prawdopodobieństwo potknięcia się o skamieniałą bakterię marsjańską!
Ale nanotechnologia to coś więcej niż tylko zmniejszanie rzeczy. Kiedy naukowcy mogą celowo uporządkować i ustrukturyzować materię na poziomie molekularnym, czasami pojawiają się niesamowite nowe właściwości.
Doskonałym przykładem jest kochanie świata nanotechnologii, nanorurki węglowej. Węgiel występuje naturalnie jako grafit - miękki, czarny materiał często stosowany w ołówkach - i jako diament. Jedyna różnica między nimi polega na rozmieszczeniu atomów węgla. Kiedy naukowcy układają te same atomy węgla we wzór „drutu z kurczaka” i zwijają je do maleńkich rurek o średnicy zaledwie 10 atomów, powstałe „nanorurki” nabierają dość niezwykłych cech. Nanorurki:
- mają 100 razy większą wytrzymałość na rozciąganie niż stal, ale tylko 1/6 masy;
- są 40 razy silniejsze niż włókna grafitowe;
- przewodzić prąd lepiej niż miedź;
- mogą być przewodnikami lub półprzewodnikami (jak układy komputerowe), w zależności od rozmieszczenia atomów;
- i są doskonałymi przewodnikami ciepła.
Wiele aktualnych badań nanotechnologicznych na całym świecie koncentruje się na tych nanorurkach. Naukowcy zaproponowali użycie ich do szerokiego zakresu zastosowań: w wytrzymałym i lekkim kablu potrzebnym do windy kosmicznej; jako druty molekularne dla elektroniki w nanoskali; osadzone w mikroprocesorach w celu odprowadzania ciepła; i jako małe pręty i koła zębate w maszynach w skali nano, żeby wymienić tylko kilka.
Nanorurki zajmują ważne miejsce w badaniach prowadzonych w NASA Ames Center for Nanotechnology (CNT). Centrum zostało założone w 1997 roku i obecnie zatrudnia około 50 pełnoetatowych naukowców.
„[Próbujemy] skoncentrować się na technologiach, które mogłyby przynieść użyteczne produkty w ciągu kilku lat lub dekady”, mówi dyrektor CNT Meyya Meyyappan. „Na przykład przyglądamy się, w jaki sposób nanomateriały mogą być wykorzystane do zaawansowanego podtrzymywania życia, sekwencerów DNA, ultra-wydajnych komputerów i małych czujników substancji chemicznych, a nawet czujników raka”.
Czujnik chemiczny, który opracowali przy użyciu nanorurek, ma wystrzelić misję demonstracyjną w kosmos na pokładzie rakiety Navy w przyszłym roku. Ten niewielki czujnik może wykryć zaledwie kilka części na miliard określonych chemikaliów - takich jak toksyczne gazy - co czyni go przydatnym zarówno do eksploracji kosmosu, jak i obrony ojczyzny. CNT opracował także sposób wykorzystania nanorurek do chłodzenia mikroprocesorów w komputerach osobistych, co stanowi duże wyzwanie, ponieważ procesory stają się coraz mocniejsze. Ta technologia chłodzenia uzyskała licencję na start-up w Santa Clara w Kalifornii o nazwie Nanoconduction, a Intel wyraził nawet zainteresowanie, mówi Meyyappan.
Jeśli te krótkoterminowe zastosowania nanotechnologii wydają się imponujące, długoterminowe możliwości są naprawdę zadziwiające.
NASA Institute for Advanced Concepts (NIAC), niezależna, finansowana przez NASA organizacja z siedzibą w Atlancie w stanie Georgia, została utworzona w celu promowania przyszłościowych badań nad radykalnymi technologiami kosmicznymi, których realizacja zajmie od 10 do 40 lat.
Na przykład, jeden z ostatnich grantów NIAC sfinansował studium wykonalności produkcji w nanoskali - innymi słowy, wykorzystując ogromną liczbę mikroskopijnych maszyn molekularnych do wytworzenia dowolnego pożądanego obiektu przez złożenie go atom po atomie!
Grant NIAC został przyznany Chrisowi Phoenixowi z Centrum Odpowiedzialnej Nanotechnologii.
W swoim 112-stronicowym raporcie Phoenix wyjaśnia, że taka „nanofabryka” może wytwarzać, powiedzmy, części statku kosmicznego z precyzją atomową, co oznacza, że każdy atom w obiekcie jest umieszczony dokładnie tam, gdzie należy. Powstała część byłaby niezwykle mocna, a jej kształt mógłby mieścić się w szerokości jednego atomu idealnej konstrukcji. Ultra-gładkie powierzchnie nie wymagałyby polerowania ani smarowania, i z czasem praktycznie nie ulegałyby „zużyciu”. Tak wysoka precyzja i niezawodność części statków kosmicznych są niezwykle ważne, gdy zagrożone jest życie astronautów.
Chociaż Phoenix nakreślił w swoim raporcie kilka pomysłów projektowych na nanofabrykę stacjonarną, przyznaje, że - jak mówi „duży projekt budżetowy Nanhatten”, jak to nazywa - działająca nanofabryka jest co najmniej dekadę, a być może znacznie dłużej.
Nawiązując do biologii, Constantinos Mavroidis, dyrektor Computational Bionanorobotics Laboratory na Northeastern University w Bostonie, bada alternatywne podejście do nanotechnologii:
Zamiast zaczynać od zera, koncepcje w finansowanym przez NIAC badaniu Mavroidis wykorzystują istniejące, funkcjonalne „maszyny” molekularne, które można znaleźć we wszystkich żywych komórkach: cząsteczki DNA, białka, enzymy itp.
Kształtowane przez miliony lat ewolucja, te cząsteczki biologiczne są już bardzo biegłe w manipulowaniu materią w skali molekularnej - dlatego roślina może łączyć powietrze, wodę i brud i wytwarzać soczystą czerwoną truskawkę, a ciało człowieka może przekształcić się w ostatnią nocna ziemniaczana kolacja do dzisiejszych nowych czerwonych krwinek. Reorganizacja atomów, która umożliwia te wyczyny, jest wykonywana przez setki wyspecjalizowanych enzymów i białek, a DNA przechowuje kod do ich wykonania.
Wykorzystanie tych „gotowych” maszyn molekularnych - lub wykorzystanie ich jako punktu wyjścia do nowych projektów - jest popularnym podejściem do nanotechnologii zwanym „bio-nanotechnologią”.
„Po co wymyślać koło?” Mavroidis mówi. „Natura dała nam całą tę wielką, wysoce wyrafinowaną nanotechnologię w żywych organizmach, więc dlaczego nie skorzystać z niej - i spróbować się z niej czegoś nauczyć?”
Konkretne zastosowania bio-nanotechnologii, które Mavroidis proponuje w swoich badaniach, są bardzo futurystyczne. Jeden z pomysłów obejmuje drapowanie czegoś w rodzaju „pajęczyny” cienkich włosów, wypełnionych czujnikami bio-nanotechnologicznymi na dziesiątkach kilometrów terenu, jako sposób na szczegółowe odwzorowanie otoczenia jakiejś obcej planety. Inną koncepcją, którą proponuje, jest „druga skóra”, którą astronauci powinni nosić pod skafandrami kosmicznymi, która wykorzystywałaby bio-nanotechnologię do wykrywania i reagowania na promieniowanie przenikające do skafandra oraz do szybkiego uszczelniania wszelkich skaleczeń lub przebić.
Futurystyczny? Na pewno. Możliwy? Może. Mavroidis przyznaje, że takie technologie są prawdopodobnie od dziesięcioleci, a technologia ta do tej pory w przyszłości będzie prawdopodobnie bardzo różna od tego, co sobie obecnie wyobrażamy. Mówi jednak, że uważa, że ważne jest, aby zacząć myśleć teraz o tym, co nanotechnologia może umożliwić wiele lat później.
Biorąc pod uwagę, że samo życie jest w pewnym sensie najlepszym przykładem nanotechnologii, możliwości są naprawdę ekscytujące.
Oryginalne źródło: NASA News Release
