Сегодня для вас десяток научных экспериментах, которые, возможно, изменят к лучшему нашу жизнь уже в ближайшие десятилетия. Очень скоро мы получим возможность пользоваться плодами этих научных изысканий.

Вживление «умных» микрокапсул в человеческое тело

Этот прибор изобрели в исследовательском центре NASA в Калифорнии.
Он представляет собой углеродные нанотрубки, которые можно вживлять под кожу.
Представьте себе «умную» микрокапсулу, вшитую в человеческое тело, которая вводит в кровь жизненно необходимое индивидууму лекарство в нужное время и в необходимых дозах.

Такое приспособление может спасти сотни тысяч больных людей, которым требуется постоянно принимать медицинские препараты. Например, если в нанотрубки поместить клетки островков Лангерганса из поджелудочной железы, которые в норме вырабатывают инсулин, то их можно применять для лечения диабета.

Одну из модификаций такого прибора планируется вживлять космонавтам. Идея заключается в том, что в нанотрубках содержится биологический материал (живые клетки), который реагирует, например, на увеличение радиации при вспышках на Солнце и выделяет препарат, защищающий организм космонавта. Клетки, находящиеся в нанотрубках, можно изменять методами генной инженерии так, чтобы они продуцировали требуемые вещества в ответ на изменения окружающей среды.

Защитить человека от радиации может, к примеру, белок G-CSF – вещество, которое уже применяется при радиотерапии раковых больных.

Углеродные нанотрубки должны иметь поры, позволяющие клеткам расти и делиться, а лекарству – выделяться в организм хозяина. Сейчас капсулы испытывают на животных. Но в скором будущем ученые перейдут к экспериментам на добровольцах.

Машины, впитывающие углекислый газ из атмосферы

Грядущее изменение климата на планете давно обсуждается на всех уровнях общества. Основной причиной глобального потепления является углекислый газ, в огромных количествах производимый промышленными предприятиями и транспортными системами всего мира. Канадская фирма Carbon Engineering надеется изменить ситуацию с помощью химической экстракции этого газа из атмосферы.

Придуманный специалистами фирмы аппарат может засасывать воздух и пропускать его через раствор гидроокиси. В результате этого углекислый газ превращается в твердый углеродный осадок – углекислую соль. А ее уже можно использовать для промышленных целей или просто закопать в землю.
В прошлом году прошли испытания этого аппарата, который работал 500 часов, успешно извлекая углекислый газ из воздуха. Следующий эксперимент продлится уже несколько тысяч часов. Инженеров интересует, как аппарат будет реагировать на различные погодные условия.

Компания надеется разработать коммерческий пилотный проект в 2013 году. Каждый из модулей аппарата будет напоминать гигантскую охлаждающую башню атомной станции и сможет извлекать 1 миллион тонн углекислого газа из атмосферы в год. Наша цивилизация производит ежегодно 30 биллионов тонн этого газа, то есть потребуется работа 30 тысяч модулей, чтобы полностью нейтрализовать влияние человечества на климат планеты.

Решение проблемы сверхпроводников

В сверхпроводниках заключается будущее передачи и хранения электричества. Эти материалы имеют очень низкое, почти нулевое сопротивление.

Их можно применять при изготовлении кабелей и батарей для энергетических систем. Но проблема состоит в том, что все известные ныне сверхпроводники являются таковыми только при очень низких температурах: менее –163 °С. Поэтому их надо охлаждать и хорошо изолировать, что само по себе очень дорого. Требуется найти такие материалы, которые сверхпроводимы при более высоких температурах. А это уже в компетенции квантовой физики и ее сложных законов, касающихся поведения субатомных частиц. Решение проблемы не под силу современным компьютерам.

Но ученые Национального института стандартов и технологий США разработали «квантовый стимулятор» – компьютерную систему, которая поможет исследователям планировать и производить стимуляцию взаимодействий между квантовыми частицами и просто считывать информацию о результатах этих взаимодействий. Таким образом можно будет сравнивать известные сверхпроводники с другими материалами и искать среди них подходящий.

Создание единой модели всех законов и явлений в физике

Стандартная модель физики элементарных частиц в настоящее время является лучшей системой для понимания поведения субатомных частиц вещества. Однако она не может объяснить феномены гравитации и расширения Вселенной, происходящего с увеличивающейся скоростью. Создание единой модели, которая будет охватывать все известные физические явления в природе, станет ярким прорывом в науке, сравнимым с развитием квантовой теории. На основе квантовой теории сейчас работают лазеры, микроэлектронные устройства, сверхточные часы, созданы невскрываемые коды, то есть многое, о чем даже не мыслили, пока теория не была сформулирована.

Как же может отклониться окружающая нас реальность от предсказаний стандартной модели? Ответ появится после экспериментов, поставленных на Большом адронном коллайдере – гигантском ускорителе частиц. Он работает с большими энергиями. В нем происходит столкновение частиц – протонов.

Более перспективным будет соударение электронов и позитронов, так как в этом эксперименте можно устанавливать и изменять энергию каждого столкновения и изучать более простые финальные состояния. Но эти частицы нельзя разгонять по кругу, так как в этом случае они будут отдавать свою энергию во все стороны. Это явление известно как синхротронная радиация. Решение лежит на поверхности: нужно разгонять их по прямой, используя линейный ускоритель. Именно такое сооружение планируется возвести в недалеком будущем.
Его длина составит 50 километров. Построить его могут в Японии, Америке, Швейцарии или России.

Болезнь Альцгеймера на чашках Петри

В настоящее время в мире насчитывается 26 миллионов человек, страдающих болезнью Альцгеймера. Это больше, чем население всей Австралии.

В Великобритании таких больных 800 тысяч. Ожидается, что эти показатели удвоятся к 2050 году. Причина заболевания до сих пор неизвестна, и эффективного лечения нет. Пациентам могут только немного улучшить качество жизни. Для изучения болезни нужны образцы мозговой ткани живого человека, но получить их по понятным причинам невозможно. А на животных ставить опыты в данном случае бесполезно, ведь только люди подвержены этому недугу.

Поэтому трудно переоценить значимость работы двух независимых групп исследователей из Кембриджского и Калифорнийского университетов. Они смогли вырастить мозговые клетки в лабораторных условиях и наблюдать развитие болезни Альцгеймера прямо на чашках Петри. Удалось выяснить, что заболевание начинается с постепенного накопления небольших клеточных аномалий. Ученые брали клетки кожи пациентов, в роду которых были больные, из них получали стволовые клетки, которые могут превращаться в любые другие, например мозговые. На них и изучают действие различных веществ, чтобы найти средства для остановки развития заболевания. Исследователи надеются на успешное завершение проекта в ближайшие три-пять лет.

Поиск внеземных цивилизаций

С 1995 года, когда была открыта первая звезда, похожая на Солнце с окружающими его планетами – 51 Пегаса и ее планета Беллерофонт, – астрофизики начали изучение около 760 планет на предмет существования на них цивилизации. Оказывается, эти планеты, находящиеся от своих солнц примерно на таком же расстоянии, как и Земля от своего светила, получают от них гораздо меньше света и тепла.

Астрофизик, профессор Университета Колорадо Вебстер Кэш предложил устройство «затемнения звезд» – специальный космический аппарат, который может заслонять свет от звезды, позволяя чувствительным инструментам телескопа изучать любую планету. Это сделает возможным спектроскопическое исследование света от этих планет для определения их химического состава и наличия или отсутствия атмосферы. Так же можно узнать, есть ли в окружении планет водяной пар. Ключевым биомаркером, то есть веществом, говорящим о наличии жизни, является кислород. Его-то и пытаются найти исследователи.

Разработка новых двигателей для космических аппаратов

Запуск космического корабля на земную орбиту – достаточно сложная задача. Скорость космического корабля при этом должна в 25 раз превышать скорость звука. Для этого требуется многоступенчатая громадина, имеющая на борту большое количество топлива, которое при случайном взрыве будет напоминать взрыв небольшой ядерной бомбы. Кроме этой опасности существует еще и финансовая проблема. Подобный полет стоит десятки тысяч долларов за килограмм груза, находящегося в ракете. Но такое состояние дел скоро можно будет изменить.

В британской компании Reaction Engines сконструировали многоразовый беспилотный космический аппарат Skylon, лишенный вышеописанных недостатков. Ключевым моментом успеха этого проекта является разработка космического двигателя SABRE совершенно новой системы, который сможет работать в двух режимах: реактивного (газотурбинного) двигателя и ракетного двигателя.

Основным видом топлива для него является водород, а окислителем – кислород. Во время взлета и посадки кислород будет поступать в двигатель прямо из атмосферы. А после выхода в космос в дело вступят внутренние резервуары с окислителем. Сейчас главные компоненты нового двигателя уже созданы и готовятся к проведению всесторонних испытаний. В случае успеха и внедрения проекта стоимость выведения космических аппаратов на орбиту Земли уменьшится в 15-50 раз. Максимальная масса полезного груза, который сможет доставить в космос Skylon, составит 12-15 тонн для высоты 300 километров и 9,5-10,5 тонны – для высоты 460 километров.

Выращивание «суперпшеницы»

Для того чтобы накормить население Земли, требуются сельскохозяйственные угодья площадью с Южную Америку.
Ученые пытаются найти более эффективные пути получения пищи. Эксперты из Wheat Yield Consortium (Консорциум по урожайности пшеницы) считают, что одним из путей решения данной проблемы является выведение «суперпшеницы», модифицированного растения для получения большего количества съедобной биомассы. Цель разработки – увеличить урожайность на 50% в течение 25 лет. Но каким образом?

С помощью усиления эффективности фотосинтеза. Фотосинтез – это процесс, идущий в растениях для образования органических веществ из углекислого газа и воды на свету при участии фотосинтетических пигментов (хлорофилл у растений, бактериохлорофилл и бактериородопсин у бактерий). Планируется увеличить эффективность этого процесса, влияя на один из ферментов, который отвечает за первый этап фотосинтеза – фиксацию углерода. Здесь можно использовать как биохимические, так и генетические методы. Данный проект пока плохо финансируется, но первые эксперименты уже начались в Мексике.

Создание безопасных атомных станций

В 1954 году в Обнинске была построена первая в мире атомная электростанция. Атомную энергию с тех пор провозгласили неиссякаемым источником энергии будущего. Однако после известных событий в Чернобыле и на «Фукусиме» стало ясно, что такие электростанции представляют собой огромную опасность. В связи с этой проблемой разрабатывается проект под названием ITER (ИТЭР) – крупнейший в мире термоядерный реактор, возводимый сейчас во Франции совместными усилиями Евросоюза, Индии, Китая, Южной Кореи, России, США и Японии. Термоядерный реактор намного безопасней ядерного реактора в радиационном отношении. Количество используемых в нем радиоактивных веществ сравнительно невелико.

Энергия, которая может выделиться в результате аварии, тоже мала и не может привести к разрушению реактора. Конструкция реактора такова, что в нем имеются естественные барьеры, препятствующие распространению радиоактивных веществ. Тем не менее, при проектировании ITER большое внимание уделялось радиационной безопасности – как при нормальной эксплуатации, так и во время возможных аварий. Энергия в нем будет производиться при слиянии ядер дейтерия и трития (изотопов водорода с лишними нейтронами). Это топливо безопасно, так как при его использовании не происходит цепной реакции. В результате не происходит длительных радиоактивных загрязнений. Более того, дейтерия очень много в морской воде, а тритий легко получить из лития.

Машины, которые могут редактировать ДНК

Возможность изменения человеческой ДНК давно занимает умы ученых и медиков всего мира. С тех пор как стало известно о зависимости различных заболеваний от последовательности генома живого организма, проводится множество генетических, генно-инженерных и биохимических исследований для разработки методов лечения с помощью изменений, вносимых в ДНК. Начало многих открытий в биологии связано с бактериями. Это относительно просто устроенные существа, в которых представлены многие фундаментальные процессы, идущие и в человеческом организме. Уже сейчас с их помощью ведется промышленный синтез лекарственных веществ. Чтобы микробы служили человеку так, как ему нужно, ученые научились вносить в их ДНК соответствующие изменения.

Однако такие эксперименты требуют много времени, сил и затрат и не всегда успешны.
В недалеком будущем американская корпорация LS9 собирается обеспечить население недорогими горючим, лекарствами и, быть может, даже едой. Все это будет производиться в биореакторах на основе дешевого сырья – различных органических отходов, древесной стружки и так далее. Один из руководителей проекта Джордж Черч совместно с коллегами разработал новый подход для получения микроорганизмов с требуемыми свойствами. Новая технология названа MAGE (Multiplexautomated genomic engineering), то есть «умноженно-автоматизированная геномная инженерия». В ее основе – новое устройство, которое вполне можно назвать «машиной эволюции».

Оно позволяет производить в бактериальной ДНК по 50 изменений одновременно, то есть за один эксперимент проверять 50 вариантов. А когда выбор так велик, то легче и быстрее найти то, что нужно. Ученые сейчас ведут поиск «топливных» микробов, которые будут синтезировать различные смеси углеводородов, похожие по составу на автомобильное топливо. Первая такая экспериментальная установка запущена еще в прошлом году в Сан-Франциско, и в ней уже трудятся бактерии-химики первого поколения. Из сахарного тростника они производят сотни галлонов биотоплива в неделю. Это топливо кристально чистое и соответствует мировым стандартам.

Авторы разработки считают, что принцип ускоренной эволюции в машине позволит получить такие модифицированные бактерии, которые будут в огромном количестве синтезировать дешевые питательные вещества и различные лекарственные препараты.

Исполнительный директор проекта LS9 Билл Хэйвуд оптимистично заявляет: «Мы исцелим мир». Очень хочется верить, что так и будет.