Konstnärens uppfattning om en bio-nanorobot. Bildkredit: NASA. Klicka för att förstora
När det gäller att ta nästa "jättesprång" i rymdutforskningen, tänker NASA litet - riktigt litet.
I laboratorier runt om i landet stöder NASA den växande vetenskapen inom nanoteknologi. Den grundläggande idén är att lära sig att hantera materien i atomskalan - att kunna kontrollera enskilda atomer och molekyler tillräckligt bra för att designa molekylstorleksmaskiner, avancerad elektronik och "smarta" material.
Om visionärer har rätt kan nanoteknik leda till robotar som du kan hålla i fingertoppet, självläkande rymddräkter, rymdhissar och andra fantastiska apparater. Vissa av dessa saker kan ta 20+ år att utvecklas fullt ut. andra tar form på laboratoriet idag.
Att helt enkelt göra saker mindre har sina fördelar. Föreställ dig, till exempel, om Mars rovers Spirit och möjlighet kunde ha gjorts så liten som en skalbagge, och kan sköra över stenar och grus som en skalbagge, provtagning av mineraler och leta efter ledtrådar till historien om vatten på Mars. Hundratals eller tusentals av dessa minskande robotar kunde ha skickats i samma kapslar som bar de två bordstorlekarna, vilket gjorde det möjligt för forskare att utforska mycket mer av planetens yta - och öka oddsen för att snubbla över en fossiliserad marsbakterie!
Men nanotech handlar om mer än bara krympa saker. När forskare medvetet kan beställa och strukturera materia på molekylnivå dyker upp ibland fantastiska nya egenskaper.
Ett utmärkt exempel är den älskling av nanotekvärlden, kol nanorör. Kol förekommer naturligt som grafit - det mjuka, svarta materialet som ofta används i blyertsledare - och som diamant. Den enda skillnaden mellan de två är arrangemanget av kolatomer. När forskare ordnar samma kolatomer i ett "kycklingtråd" -mönster och rullar upp dem till små kärnrör bara 10 atomer över, får de resulterande "nanorören" några ganska extraordinära drag. nanorör:
- ha 100 gånger draghållfastheten för stål, men endast 1/6 vikten;
- är 40 gånger starkare än grafitfibrer;
- leda el bättre än koppar;
- kan vara antingen ledare eller halvledare (som datorchips), beroende på atomerna.
- och är utmärkta värmeledare.
Mycket av aktuell nanoteknisk forskning över hela världen fokuserar på dessa nanorör. Forskare har föreslagit att använda dem för ett brett spektrum av applikationer: i den högstyrka, lågviktiga kabeln som behövs för en rymdshiss; som molekyltrådar för nanoskalaelektronik; inbäddade i mikroprocessorer för att hjälpa sifon från värme; och som små stavar och växlar i nanoskala maskiner, bara för att nämna några.
Nanorörerna är framträdande i forskning som görs vid NASA Ames Center for Nanotechnology (CNT). Centret grundades 1997 och har nu cirka 50 heltidsforskare.
"[Vi] försöker fokusera på teknik som kan ge användbara produkter inom några år till ett decennium," säger CNT-direktör Meyya Meyyappan. "Vi tittar till exempel på hur nanomaterial kan användas för avancerat livsstöd, DNA-sequencers, ultrakraftiga datorer och små sensorer för kemikalier eller till och med sensorer för cancer."
En kemisk sensor som de utvecklade med hjälp av nanorör är planerad att flyga ett demonstrationsuppdrag ut i rymden ombord på en marinraket nästa år. Denna lilla sensor kan upptäcka så lite som några få delar per miljard specifika kemikalier - som giftiga gaser - vilket gör den användbar för både rymdutforskning och hemförsvar. CNT har också utvecklat ett sätt att använda nanorör för att kyla mikroprocessorerna i persondatorer, en stor utmaning eftersom CPU: er blir mer och mer kraftfulla. Denna kylningsteknik har licensierats till en Santa Clara, Kalifornien, nystartad Nanoconduction, och Intel har till och med uttryckt intresse, säger Meyyappan.
Om dessa användningar av nanoteknologi på kort sikt verkar imponerande, är de långsiktiga möjligheterna verkligen svårt.
NASA Institute for Advanced Concepts (NIAC), en oberoende, NASA-finansierad organisation belägen i Atlanta, Georgia, skapades för att främja framtidsinriktad forskning om radikalt rymdteknologi som kommer att ta 10 till 40 år att realisera.
Till exempel finansierade ett nyligen NIAC-bidrag en genomförbarhetsstudie av nanoskala-tillverkning - med andra ord med hjälp av ett stort antal mikroskopiska molekylära maskiner för att producera ett önskat objekt genom att samla det atom för atom!
Detta NIAC-stipendium tilldelades Chris Phoenix från Center for Responsable Nanotechnology.
I sin rapport på 112 sidor förklarar Phoenix att en sådan "nanofactory" skulle kunna producera, säga, rymdskeppsdelar med atomprecision, vilket innebär att varje atom i objektet är placerad exakt där den hör hemma. Den resulterande delen skulle vara extremt stark, och dess form kan ligga inom en enda atoms bredd av den ideala designen. Ultraläta ytor behöver ingen polering eller smörjning, och kommer att ha nästan ingen "slitage" med tiden. En sådan hög precision och tillförlitlighet för rymdskeppsdelar är av största vikt när astronauternas liv står på spel.
Även om Phoenix skissade ut några designidéer för en nanofabrik på skrivbordet i sitt betänkande, erkänner han att - kort från ett ”Nanhatten-projekt” med stor budget, som han kallar det - är ett fungerande nanofabrik minst ett decennium borta, och kanske mycket längre.
Constantinos Mavroidis, chef för Computational Bionanorobotics Laboratory vid Northeastern University i Boston, tar en fråga från biologi, och undersöker en alternativ metod för nanotek:
I stället för att börja från början använder koncepten i Mavroidis NIAC-finansierade studie tidigare existerande, funktionella molekylära "maskiner" som kan hittas i alla levande celler: DNA-molekyler, proteiner, enzymer etc.
Formade av evolution över miljoner år är dessa biologiska molekyler redan mycket skickliga på att manipulera ämnen i molekylär skalan - varför en växt kan kombinera luft, vatten och smuts och producera en saftig röd jordgubbe, och en persons kropp kan konvertera sist nattens potatismiddag i dagens nya röda blodkroppar. Omarrangemanget av atomer som möjliggör dessa feats görs av hundratals specialiserade enzymer och proteiner, och DNA lagrar koden för att göra dem.
Att använda sig av dessa ”förberedda” molekylära maskiner - eller använda dem som utgångspunkt för ny design - är ett populärt tillvägagångssätt för nanoteknologi som kallas ”bio-nanotek.”
"Varför uppfinna hjulet på nytt?" Säger Mavroidis. "Naturen har gett oss all denna fantastiska, mycket raffinerade nanoteknologi i levande saker, så varför inte använda den - och försöka lära dig något av det?"
De specifika användningarna av bio-nanotek som Mavroidis föreslår i sin studie är mycket futuristiska. En idé handlar om att dra ett slags "spindelväv" av hårtunna rör packade med bio-nanotek-sensorer över dussintals mil terräng, som ett sätt att kartlägga miljön på någon främmande planet i detalj. Ett annat koncept som han föreslår är en "andra hud" för astronauter att bära under sina rymddräkter som skulle använda bio-nanotek för att känna och reagera på strålning som tränger igenom dräkten och för att snabbt försegla alla snitt eller punkteringar.
Futuristisk? Säkert. Möjlig? Kanske. Mavroidis medger att sådan teknik troligen är decennier borta och att tekniken hittills i framtiden förmodligen kommer att vara mycket annorlunda än vad vi föreställer oss nu. Fortfarande säger han att han anser att det är viktigt att börja tänka på vad nanoteknologi kan göra många år på vägen.
Med tanke på att livet i sig är på ett sätt det ultimata exemplet på nanotek, är möjligheterna verkligen spännande.
Originalkälla: NASA News Release
