Фронтиры науки, техники и производства: Дайджест №2

Наш сегодняшний дайджест открывают начинания космического масштаба, результаты которых появятся очень нескоро, даже если приступить к ним прямо сейчас. Исследования глубокого космоса – под ним мы в данный момент подразумеваем всё за орбитой Луны — всегда были делом ресурсоёмким и небыстрым, зато отдача от таких инвестиций всегда приносила уникальные бесценные результаты для науки.

Как только стихла гонка за космическое первенство ради первенства, каждое космическое агентство начало считать денежки с учётом предполагаемой отдачи проектов. Но запустить спутник с вполне внятными земными задачами – это одно, а угрохать огромные ассигнования на проект для исследования космоса продолжительностью в несколько десятилетий... Тем более что недостатка в таких амбициозных проектах не наблюдается.

Вот и Европейское космическое агентство (European Space Agency, ESA) потратило немало времени, выбирая один из трёх масштабных проектов финансирования в ближайшее десятилетие самый перспективный. В кандидатах числились Обсерватория для изучения свойств гравитационных волн (The New Gravitational wave Observatory, NGO), мощный телескоп для астрофизики высоких энергий (The Advanced Telescope for High-Energy Astrophysics, ATHENA), а также космическая миссия к Юпитеру для изучения четырёх его крупнейших лун (The Jupiter Icy moons Explorer – JUICE).

Все три проекта, как видите, достаточно амбициозны и важны, хотя, по мнению автора этих строк, изучение свойств гравитации [возможно] имеет наибольшие шансы обрести прикладной вид в ближайшем (или хотя бы обозримом) будущем. Тем не менее представители ESA в начале мая огласили другой выбор: широкомасштабной темой агентства на ближайшее десятилетие станет запуск космической миссии JUICE. К тому же проект полностью укладывается в принятую ранее европейскую программу ESA Cosmic Vision 2015-2025.

По задумке, запуск экспедиции состоится в 2022 году с космодрома Куру во Французской Гвиане. На земную орбиту проект будет выведен тяжёлым ракетоносителем Ariane 5, а затем миссия направится к Юпитеру, куда прибудет ориентировочно в 2030 году.

По предварительным данным, продолжительность работы миссии JUICE в окрестностях Юпитера составит как минимум три года. Разумеется, детальному обследованию будет подвергнут и сам Юпитер, однако главной целью экспедиции является не планета-гигант, а её крупнейшие луны из так называемого "галилеевского списка" (луны Юпитера, открытые лично Галилео Галилеем в январе 1610 года) — вулканическая Ио, ледяная Европа, скалистые Ганимед и Каллисто.

Многостраничный документ, представленный на сайте ESA и подробно описывающий задачи JUICE, предстоящие исследования и необходимые для этого инструменты, раскрывает три главные цели проекта. Две из них носят сугубо теоретический характер — это изучение условий формирования планет и условий возникновения Солнечной системы (Юпитер со своими спутниками как раз являет собой её копию, при этом не очень-то и уменьшенную). Третью же цель миссии можно назвать сугубо прикладной, хотя и с прицелом на отдалённое будущее: учёные попытаются выяснить пригодность лун Юпитера к потенциальной колонизации земными поселенцами.

Уже сейчас известно, что проект ценой примерно в один миллиард евро включает высадку зонда на поверхность Каллисто, известной своими гигантскими кратерами, а также многократный облёт Европы. В рамках JUICE будут проведены первые в истории измерения толщины ледяных полей Европы на предмет уточнения наиболее удобных мест для высадки следующих экспедиций. Кроме того, предстоит тщательное изучение атмосферы и магнитосферы Юпитера, их влияния на луны газового гиганта.

Финальным этапом миссии станет достижение орбиты в 2032 году Ганимеда, где экспедиция займётся изучением ледяной поверхности и подлёдной океанической структуры этой уникальной луны-планеты со своим собственным мощным магнитным полем.

Являясь общеевропейским проектом, миссия JUICE подразумевает непосредственное участие в её реализации российского Федерального космического агентства («Роскосмос»). Приятно отметить, что роль российской науки не ограничивается периферийными приложениями: именно в России будет создан спускаемый аппарат для посадки на поверхность Ганимеда.

Российской посадочный зонд будет запущен с помощью ракеты "Протон" и выйдет на орбиту Ганимеда в системе Юпитера уже после выполнения миссией JUICE разведывательной части экспедиции. После прилунения посадочный зонд займётся определением толщины ледяного покрова планеты, определением наличия жидкого океана под его толщей, проведёт сейсмические, химические и физические исследования поверхности. Для усиления интриги предполагается, что зонд будет оснащён оборудованием для поиска вымершей или здравствующей жизни Ганимеда.

Резюмируя цели экспедиции, скажу так: если есть жизнь на Ганимеде — тоже неплохо, а если пока нет — привезём свою.

Кстати, о жилье: вот вам лично, дорогой читатель, какие коврижки нужно пообещать для того, чтобы вы добровольно переселились на Ганимед? Мне вот так с ходу на ум приходит только бессмертие: да, в тупик Солнечной системы, где и солнца то почти нет – разве что только в обмен на бессмертие. И то, сначала хотелось бы очень и очень подумать, нужна ли эта бесконечная жизнь в медвежьем углу Вселенной.

Но если хочется безумно экстремальной жилищной экзотики уже в этой жизни и на этой планете – вам, вероятно, будет интересен проект архитектурной компании Deep Ocean Technology из польского города Гдыня. Возможно, этот проект нельзя назвать таким уж "научным", но, с точки зрения дерзновенной архитектуры, он, несомненно, один из самых интересных.

Уникальный, амбициозный и баснословно дорогой проект подводного отеля Water Discus Hotel предлагается реализовать в Персидском заливе. Ещё одна диковинка прибрежных вод Дубаи в случае реализации сможет стать воистину очередным чудом света, поскольку непосредственно из окон океанского отеля его обитатели смогут наблюдать за ежедневной жизнью богатой тропической флоры и фауны, как говорится, не вставая из кресла.

Уже интересно? Слушайте дальше: отель Water Discus Underwater будет состоять из надводного и подводного уровней дискообразной формы, площадью порядка 1000 квадратных метров каждый. Вся конструкция опирается на три опоры, сообщение между уровнями осуществляется с помощью лифтов. Нижние этажи будут уходить под воду на глубину до 10 метров, а многократная страховочная система поднимет подводный уровень на поверхность океана в случае возникновения малейших сомнений в безопасности (хотя, уверен, горе-режиссёры не преминут воспользоваться соблазнительным сюжетом для съёмки пары-тройки своих дуремарских фильмов ужасов).

Для любителей подводного мира, предпочитающих наблюдать морскую экзотику издалека, без необходимости втискиваться в гидрокостюм и плавать в непосредственной близости от акул, это будет настоящий рай: специальное освещение обеспечит возможность качественной съёмки морских гадов. Впрочем, для любителей настоящих приключений тут будет предусмотрено всё: и станция дайвинга, и причал с прогулочными трёхместными субмаринами — любые развлечения в зависимости от толщины кошелька.

Самое, пожалуй, интересное в проекте отеля Water Discus Underwater заключается в том, что для его реализации не требуется ждать изобретения каких-то новых материалов или технологий, всё уже придумано и доступно, были бы деньги и амбиции. По информации разработчиков из Deep Ocean Technology, субподрядчиком проекта и поставщиком соответствующих технологий может стать компания Drydocks World из Арабских Эмиратов, хорошо известная в соответствующих кругах своими подводными и плавающими доками. По словам представителей Drydocks World, сейчас разработано семь различных модификаций двухуровневых отелей, цена их колеблется в пределах от 50 до 120 млн долларов.

К сожалению, пока что проект находится лишь на стадии поиска инвесторов, хотя все необходимые патенты для защиты авторских прав уже получены. Если мировую экономику в ближайшие годы ничего серьёзного не встряхнёт – как знать, возможно, ещё до выхода на пенсию мы успеем накопить заветную сумму на уик-энд в подводном отеле Water Discus Underwater. По крайней мере в этот проект мне верится гораздо больше, нежели в идейки о посещении Ганимеда. Да и уютнее не в пример…

Однако довольно на сегодня дерзких идей о покорении неизведанных уголков ойкумены, отойдём на время от проблем вселенского и глобального масштаба и рассмотрим что-нибудь менее глобальное. Например, вирусы. Точнее, искусственные вирусы с не совсем обычными свойствами.

Лично для меня слово "вирус" несёт исключительно негативный оттенок. Да что уж там, о "хороших, полезных вирусах" в приличном обществе говорить как-то не принято, разве что исключительно обо всяких болезнетворных вариациях. И уж тем более неприятно услышать о том, что кто-то занимается генной инженерией ради разведения новых сортов этой гадости.

Тем не менее реальность такова, что вирусы бывают не только болезнетворными, а их свойства могут быть настолько непредсказуемыми, что однажды мы, возможно, порадуемся их существованию. По крайней мере в этом уверены учёные из подразделения Министерства энергетики США при национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (U.S. Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley Lab), получившие на практике новый штамм вируса со способностью… генерирования электричества при приложении к нему механического воздействия.

Говоря проще, если придавить как следует этих новых искусственных вирусов, они… нет, не пищат, но отбиваются неслабым током. Настолько неслабым, что учёным даже в лабораторных условиях удалось "добыть" из вирусов достаточно энергии, чтобы запитать небольшой ЖК-экран. При этом здесь нет никакой игры слов или хитроумных недоговорок: вполне достаточный ток генерирует колония вирусов на площадке размером с почтовую марку, будучи придавлена всего лишь пальцем.

Стоит отметить, что пьезоэлектрический эффект нельзя назвать диковинным свойством биологических тканей. Открытый впервые в 1880 году, сегодня пьезоэффект обнаружен не только в кристаллах и керамике, но и в костных тканях, белках и даже структурах ДНК. В конце концов, от одних электрических скатов погибло немало незадачливых пловцов и ныряльщиков. Однако эксперимент в лаборатории Беркли можно с полным на то основанием назвать первым в мире, при котором производство электричества с помощью биологических материалов представляет собой контролируемый процесс, и, главное, вполне масштабируемый на будущее.

Теперь самое время расслабиться и немного пофантазировать. Например, о всевозможных гаджетах, преобразующих различные вибрации, толчки и удары в электрический ток. Можно, к примеру, зажать пачку таких вирусов в дверном косяке и давить их до тех пор, пока не вскипит вода в электрическом чайнике. Или засунуть этих несчастных в бутсы футболистам: один матч – и пожалуйста, электричество на полгода для какого-нибудь аула.

Как видите, достойная тема на предмет поглумиться или пофантазировать. Но если копнуть немного глубже и почитать первоисточник – публикацию под названием Virus-based piezoelectric energy generation в одном из майских номеров журнала Nature Nanotechnology (на наше счастье, статья находится в бесплатном доступе, наслаждайтесь редкой возможностью), можно обнаружить много любопытнейших подробностей на предмет того, почему же такие вирусы не встречаются в природе и почему же их пришлось непременно "изготавливать" искусственно.

Оказывается, новые пьезоэлектрические вирусы обладают уникальным свойством самопроизвольно выстраиваться в тончайшую плёночную структуру, способную генерировать электрический ток. Именно это редчайшее свойство самоорганизации новых вирусов и является главным открытием учёных, пьезоэлектрический эффект можно в какой-то степени назвать "побочным продуктом" этого изобретения.

Особая ценность штамма M13 для генной инженерии состоит в том, что, будучи помещённым в подходящие условия со стабильной подпиткой, вирус способен реплицировать себя миллионы раз всего за несколько часов. Большой массив стержнеобразных вирусов естественным образом переходит к стадии самоорганизации в чётко структурированные тонкие плёнки. Именно о таких "кирпичиках" для создания наноструктур мечтают учёные во всех современных прикладных областях науки.

И самое интересное "про злых вирусов": учёные уверяют, что штамм бактериофага M13 ведёт себя агрессивно только в отношении некоторых видов бактерий и совершенно инертен по отношению к человеческому организму. В отличие от ряда популярных неорганических пьезоэлектриков, некоторые из которых достаточно токсичны.

Пьезоэлектрические свойства вируса M13 были обнаружены в процессе исследования электрических свойств тонких плёнок. Наблюдение за образцами в специальный микроскоп показало, что воздействие электрического поля на тонкие плёнки из вирусов M13 привело к скручиванию спиральных белков на поверхности плёнок и соответствующему выгибанию – характерной реакции в случае пьезоэлектрического эффекта.

Далее в поисках путей для усиления пьезоэффекта учёные продолжили эксперименты с генной инженерией и в конце концов обнаружили, что добавление четырёх отрицательно заряженных аминокислотных радикалов к покрывающим вирус белкам позволило значительным образом увеличить разность потенциалов между положительно и отрицательно заряженными сторонами белка и, соответственно, увеличить напряжение на вирусе.

Финальным экспериментом по повышению эффективности системы стало создание многослойных структур из наложенных друг на друга однослойных вирусных плёнок. Достаточно сильного пьезоэффекта удалось добиться при экспериментах с 20-слойными структурами.

Далее оставалось всего ничего – приложить генную инженерию к вирусам таким образом, чтобы они организовывали многослойные структуры спонтанно и самостоятельно. В результате удалось научиться выращивать многослойные массивы площадью до одного квадратного сантиметра.

Именно этот "сэндвич" и был подключен двумя электродами с позолоченными контактами, провода от которых присоединяли к ЖК-дисплею. Результат при нажатии пальцем поразительный: удалось зарегистрировать ток до шести наноампер при потенциале 400 милливольт. Этого вполне достаточно, например, для подсветки цифры "1" на дисплее. Кстати, это напряжение — примерно четверть от потенциала обычной батарейки форм-фактора АА.

Казалось бы, венец, продукт можно сдавать в массовое производство и пожинать дивиденды. Но учёные пока не спешат с коммерциализацией своей разработки. Прежде всего, планируется достичь ещё большей эффективности "вирусной электростанции". Кроме того, лабораторный единичный эксперимент и массовое производство – вещи порой весьма далёкие друг от друга, и на разработку коммерческой методики может уйти немало времени.

Мы же со своей стороны пожелаем истинным творцам нашего светлого Будущего всяческих удач, а также простимся с вами до следующего выпуска научно-популярного дайджеста 3DNews в надежде, что вам наша новая рубрика интересна и небезразлична. Ну и если вам попался интересный научный материал, которым вы хотели бы поделиться с другими читателями сайта, — оставляйте ссылку в комментариях. До новых встреч!