ИНЖЕНЕРИЯ: Точное земледелие увеличивает урожайность
По мере роста мирового населения фермерам необходимо будет производить все больше и больше продуктов питания. Тем не менее, пахотные земли не могут увеличиваться, а угрожающая угроза продовольственной безопасности может легко перерасти в региональную или даже глобальную нестабильность. Чтобы адаптироваться к новым задачам, крупные фермы все чаще используют точное земледелие для увеличения урожайности, сокращения отходов и смягчения экономических рисков.
Традиционное земледелие опирается на решения, касающиеся посадки, уборки, орошения и применения пестицидов и удобрений на основе региональных условий и исторических данных. Прецизионное же, или точное, сельское хозяйство задействует датчики, роботов, GPS, картографические инструменты и программное обеспечение для анализа данных, чтобы обеспечить надлежащий уход за растениями без увеличения рабочей силы. Стационарные или роботизированные датчики и камеры бесперебойно отправляют на компьютер изображения отдельных растений и данные о них – скажем, информацию о размере стебля, форме листа и увлажненности почвы вокруг растения. Фермеры получают обратную связь в режиме реального времени, а затем доставляют воду, пестициды или удобрения в откалиброванных дозах только в те области, которые в ней нуждаются. Эта технология также может помочь фермерам решить, когда выращивать и собирать урожай.
В результате точное земледелие может улучшить управление временем, сократить потребление воды и химических веществ, а также производить более здоровый и качественный урожай – все они приносят пользу фермерам и сохраняют ресурсы при одновременном снижении химического стока.
Многие стартапы сегодня разрабатывают новое программное обеспечение, датчики, данные на основе антенн и другие инструменты для точного земледелия. Этим же заняты крупные компании, такие как Monsanto, John Deere, Bayer, Dow и DuPont. В рамках этих разработок производители семян применяют технологии для улучшения «фенотипирования растений». С течением времени, анализируя отдельные растения (какие из них процветают и в каких условиях), компании могут соотносить реакцию растений на окружающую среду с их геномикой. Эта информация, в свою очередь, позволяет компаниям выпускать семена, которые будут наилучшим образом расти в определенных почвах и погодных условиях.
АВТОМОБИЛИ: Водородные транспортные средства на массовом рынке
Электрические транспортные средства с питанием от батарейки, которые не выделяют углекислого газа во время движения, скоро станут основным транспортом, несмотря на то, что сегодня они составляют менее 1% подвижного состава на дорогах по всему миру. Многочисленные нововведения в таких характеристиках, как стоимость и срок службы батареи, сделали цены настолько конкурентоспособными, что Tesla имеет более 400 000 предварительных заказов на модель за 35 000 долларов США, которую планируют запустить в продажу в середине 2018 года.
К сожалению, другая большая надежда на транспортные средства, которые не выделяют углерод, – те, что работают на топливных клетках, питающихся водородом, – слишком дорогие для широких продаж. Однако множество лабораторий и предприятий планируют сократить расходы, заменив один из самых дорогих компонентов в топливных элементах – катализатор. Многие коммерческие катализаторы для топливных элементов содержат драгоценный металл – платину, который не только дорогой, но еще и слишком редкий, чтобы поддерживать его повсеместное использование в транспортных средствах.
Исследователи стараются уменьшить содержание платины разными способами: предлагают более эффективно использовать ее, заменив металл (целиком или только часть) палладием или любым другим недорогим металлом, таким как никель, медь и так далее. Коммерческие катализаторы, как правило, состоят из тонких слоев наночастиц платины, нанесенных на углеродную пленку, поэтому исследователи также тестируют альтернативные субстраты.
Станислав С. Вонг и его коллеги объединяют относительно небольшие количества платины или палладия с более дешевыми металлами, такими как железо, никель или медь, производя много легированных сортов, которые гораздо более активны, чем коммерческие катализаторы. Группа Вонга превратила металлы в сверхтонкие одномерные нанопроволоки (примерно два нанометра в диаметре). Они имеют высокое отношение площади поверхности к объему, что увеличивает количество активных центров для каталитических реакций.
Естественно, катализаторы без платины были бы идеальными. В конце 2016 года Санг Хун Ю из Ульсанского национального института науки и технологий (ЮНИСТ) в Южной Корее сообщил, что катализатор углеродных нанотрубок, легированный железом и азотом, обладает активностью, сравнимой с коммерческими катализаторами. Кроме того, Лиминг Даи из Case Western Reserve University и его коллеги изобрели катализатор, не содержащий никакого металла вовсе – это пеноуглерод, легированный азотом и фосфором, который так же активен, как и стандартные катализаторы.
Изобретение и подготовка материала, который обладает отличной каталитической активностью, является лишь частью проблемы, отмечает Вонг. Исследователи также работают над расширением существующих методов лабораторного производства, чтобы обеспечить согласованность активности и долговечности лучших вариантов. На всех этапах работы экспериментаторы получают помощь от теоретиков, которые применяют сложные компьютерные модели, чтобы выяснить, как влияют всевозможные переменные на производительность – от химических составов, размеров и форм металлических наночастиц до подробных архитектур опорных структур. Такое сотрудничество, говорит Вонг, должно однажды дать возможность рационально разработать превосходные катализаторы для доступных транспортных средств на топливных элементах.
МЕДИЦИНА И БИОТЕХНОЛОГИЯ: Геномные вакцины (состоящие из ДНК и РНК вместо белка) борются с инфекционными заболеваниями
Стандартные вакцины для профилактики инфекционных заболеваний состоят из убитых или ослабленных патогенов или белков из этих микроорганизмов. Вакцины, которые лечат рак, также зависят от белков. Новый перспективный вид вакцин состоит из генов. Геномные вакцины обещают много преимуществ, в том числе быстрое производство, когда вирус, такой как Зика или Эбола, внезапно становится более вирулентным или распространенным. Десятки геномных вакцин уже вступили на этап клинических испытаний.
Большинство вакцин работают, обучая иммунную систему распознавать врага. Геномные вакцины же принимают форму ДНК или РНК, которая кодирует желаемые белки. При инъекции гены попадают в клетки, которые затем выделяют выбранные белки. По сравнению с производственными белками в клетках или яйцах, получение генетического материала должно быть проще и дешевле. Кроме того, одна вакцина может включать кодирующие последовательности для нескольких белков, и ее можно легко изменить.
В настоящее время ведется ряд клинических испытаний для проверки безопасности и иммуногенности, в том числе для птичьего гриппа, Эбола, гепатита С, ВИЧ и рака молочной железы, легких, предстательной железы, поджелудочной железы и других видов. Одно исследование уже демонстрирует эффективность: национальные институты здравоохранения начали многопрофильное клиническое исследование, чтобы проверить, может ли ДНК-вакцина защищать от вируса Зика.
ЭНЕРГИЯ: Устойчивое проектирование резко сокращает отходы
В последнее десятилетие строительство и модернизация отдельных домов для сокращения потребления энергии и воды резко возросла. Тем не менее, применение «зеленой» конструкции сразу к нескольким зданиям может быть еще лучшей идеей. Обмен ресурсами и инфраструктурой может сократить количество отходов, а модернизация обедневших районов или районов с умеренным доходом может также сэкономить средства людям.
Одним из ярких примеров является проект Oakland EcoBlock, который возглавляет в Калифорнийском университете в Беркли Харрисон Фракер, профессор архитектуры и городского дизайна. Это многопрофильное мероприятие, в котором участвуют городские дизайнеры, инженеры, социологи и эксперты в области политики из городов, штатов и федеральных органов власти, научных кругов, частного сектора, некоммерческих организаций и общественных организаций.
Программа, которая была запланирована очень детально, позволит построить от 30 до 40 смежных старых домов в районе с низким и средним уровнем дохода вблизи знаменитого калифорнийского моста «Золотые Ворота». Проект нацелен на применение существующих технологий для резкого сокращения потребления ископаемого топлива и воды, а также выбросов парниковых газов. Исследователи, обеспечивая долгосрочный комфорт и безопасность жителей, ожидают быстрое возмещение средств, потраченных на инфраструктуру.
Исследователи планируют устанавливать панели солнечных батарей на здания по всему сообществу, отправляя энергию на смарт-микрогрид (локальная энергосистема, которая предполагает создание на определенной территории собственных энергосетевых структур, способных работать автономно). Избыточная солнечная энергия будет храниться. Сообщество также будет делиться электромобилями, которые будут иметь доступ к местным зарядным станциям. Эти меры должны сократить ежегодное потребление электроэнергии более чем наполовину и привести число выбросов углекислого газа к нулю
По оценкам Агентства по охране окружающей среды, до 50% потребления воды в Калифорнии население затрачивает на уход за газонами и садами. По оценкам исследователей, реорганизация на уровне системы EcoBlock снизит спрос на питьевую воду до 70%. Разработчики будут обрабатывать и повторно использовать сточные воды из туалетов, а также воду, сбрасываемую стоками и выпускаемую стиральными машинами. Переработанная жидкость будет тратиться на садоводство и орошение. Также будут собирать дождевую воду и доставлять ее в туалеты и шайбы, устанавливать эффективные светильники и краны. Обработанные твердые отходы, тем временем, будут включены в компост.
ВЫЧИСЛЕНИЯ: Квантовые вычисления становятся более доступными и помогают решать новые проблемы
Квантовые вычисления захватили умы человечества почти 50 лет. Причина проста: они предлагают путь к решению проблем, которые не могут быть решены классическими машинами. Так, квантовые вычисления могут помочь решить вопрос симуляции химии именно для разработки новых молекул и материалов, решения сложных задач оптимизации.
До недавнего времени доступ к прототипам квантовых компьютеров был лишь у специалистов в нескольких лабораториях по всему миру. Но прогресс за последние несколько лет позволил построить первые в мире образцы таких устройств, которые могут, наконец, проверить идеи, алгоритмы и другие методы, которые до сих пор были строго теоретическими.
Существующие машины по-прежнему слишком малы, чтобы полностью решить проблемы более сложные, чем те, с которыми сегодня могут справиться суперкомпьютеры. Однако разработчики достигли огромного прогресса: созданы алгоритмы, которые будут работать быстрее на квантовой машине. В настоящее время существуют методы, которые увеличивают когерентность (время жизни квантовой информации) в сверхпроводящих квантовых битах более чем в 100 раз по сравнению с периодом десятилетней давности. В 2016 году IBM предоставила публичный доступ к первому квантовому компьютеру в облаке с графическим интерфейсом для его программирования, теперь интерфейс основан на популярном языке программирования Python. Открытие этой системы в мире стимулирует инновации, которые жизненно важны для достижения этой технологии. На сегодняшний день более 20 опубликованных научных работ используют инструмент квантовых вычислений. Академические исследовательские группы, более 50 стартапов и крупных корпораций по всему миру сосредоточены на том, чтобы сделать квантовые вычисления реальностью.
