ОБЗОРЫ
Миллиардные инвестиции в нанотехнологии связаны с появлением у человечества шанса решить все ключевые проблемы современности. Генетически модифицированные растения и животные, растущие не по дням, а по часам, победят проблему голода на планете. Нанороботы смогут собирать в неограниченных количествах любые предметы первой необходимости из произвольных подручных материалов. Избавление от голода и плохих условий жизни позволит правительствам сосредоточиться на повышении культурного уровня, а среднее образование станет доступно всем детям Земли. Медики с помощью генной инженерии и молекулярных автоматов, способных следить за состоянием клеток человеческого тела и при необходимости ремонтировать их, рассчитывают сказать "нет" болезням, а возможно, и смерти. Удастся остановить гибель множества природных ресурсов и восстановить утраченные виды животных и растений, создав их клоны. Прекратится загрязнение планеты - нанороботы смогут переработать любые отходы, переводя их в удобрение или энергоресурсы. Появится возможность безопасных космических путешествий, а затем Земля и вся Солнечная система будут преобразованы во благо человечества. Все это, согласно весьма авторитетным прогнозам, вполне реально, "нанорай" на Земле может наступить уже в первой половине нынешнего века. Ведь массовое распространение достижений, основанных на нанотехнологиях, начнется через 10 лет.
Но, к сожалению, в довесок ко множеству прикладных выгод земная цивилизация может получить не меньшие социальные проблемы. Два десятилетия практических исследований - это крайне мало для зрелости научного направления, поэтому отношение общества к нанотехнологиям сегодня очень неоднозначно. Вполне возможно, что с помощью нанотехнологий богатые станут еще богаче и смогут жить вечно. А представители остальной части человечества, получив от элиты бесплатный кусок хлеба и набор предметов первой необходимости, так и останутся людьми второго сорта, живущими под глобальным контролем НаноБрата. Все нанотехнологические достижения патентуются, поэтому доступ к ним серьезно ограничен уже сегодня. В каком направлении свернет человечество под влиянием завораживающих нанодостижений, станет понятно достаточно быстро.
О серой и зеленой слизи
Потенциальную опасность нанотехнологий отмечают многие известные эксперты. Так, уже упоминавшийся Эрик Дрекслер, директор Института предвидения (Foresight Institute - ведущая нанотехнологическая организация США, финансирующая исследования и активно занимающаяся пропагандой данного направления), выдвинул концепцию серой слизи, завершающую существование человечества. Согласно этой концепции, универсальные молекулярные самосборщики, обученные делать из подручных материалов себе подобные копии, едва будучи созданными, тут же примутся за окружающую среду, начнут штамповать свои клоны из доступных молекул и в конце концов всю Вселенную превратят в однообразную серую массу, состоящую только из нанороботов. Этой точки зрения придерживается, в частности, Билл Джой, один из основателей Sun: он неоднократно высказывался об опасности нанотехнологий.
А если работу саморепликаторов удастся контролировать, то тогда они окажутся идеальным оружием. Но в любом случае из-за того, что функционирование всех устройств микромира носит вероятностный характер, всегда возможны мутации микроавтоматов под влиянием непредсказуемых внешних воздействий, приводящие к отказу от выполнения заданной программы и разрушительному поведению.
Пока концепция серой слизи не выдерживает простой критики. Ведь для самосборки нанороботу нужны пальцы-манипуляторы, современные аналоги которых (микроэлементы модифицированных атомных микроскопов) значительно превосходят размеры атомов, что в принципе не позволяет создавать автономные сборщики наноразмеров. Кроме того, такие манипуляторы весьма несовершенны: к ним "прилипают" посторонние атомы, и пока неясно, как избавиться от всех этих побочных эффектов. Непонятно также, откуда подобным роботам брать энергию и как она будет рассеиваться в результате масштабных молекулярных преобразований. Пока что идея серой слизи (в том виде, в каком она сформулирована) противоречит законам термодинамики. Впрочем, теоретическая возможность создания самосборщиков остается, и то, что кажется совершенно нереальным сегодня, завтра вполне может стать обыденностью. Показательно, что в 2003 г. один из призов Института молекулярного производства (IMM), работа которого финансируется Институтом предвидения, был присужден за теоретические разработки по созданию стражей, способных контролировать деятельность саморепликаторов.
Более вероятна другая проблема - концепция зеленой слизи. Ученые предупреждают, что существует реальная возможность создания разрушительных вирусов и бактерий, которые, быстро размножаясь, просто уничтожат всю жизнь на планете, разобрав белковые структуры на отдельные молекулы. В технологическом плане эта задача проще - вирусы могут пользоваться строительным материалом и готовыми энергоресурсами клеток. Так, в ноябре 2003 г. появилось сообщение о том, как ученые Института альтернативных биологических источников энергии (г. Роквилл, шт. Мэрилэнд) собрали за 14 дней точную живую копию вируса PhiX из коммерчески доступных материалов (в 2002 г. группа американских ученых создала таким же способом поливирус, но потратила на работу три года). PhiX известен тем, что стал первым земным существом, генетический код которого был расшифрован в 1978 г. Его геном состоит из 5386 элементов, причем ученые состыковывали их вручную. Далее они намерены сконструировать с нуля искусственную бактерию и попробовать автоматизировать технологию сборки ДНК, чтобы в будущем создавать более сложные живые организмы. Данный проект вызвал неодобрительные комментарии представителей ЦРУ, опасающихся, что технологии разработки вирусов станут доступны странам, поддерживающим глобальный терроризм.
Нанотехнологии таят и другие опасности. В 2002 г. американское Агентство по защите окружающей среды (EPA), НАСА и международная неправительственная группа по защите прав человека в технологическую эру ETC Group по результатам совместного исследования сообщили, что вдыхание нанотрубок (на сегодня базового строительного наноматериала), которому случайно оказалась подверженной группа астронавтов, приводит к заболеванию легких. Такие углеродные трубки весьма схожи по негативному воздействию с обычной сажей. Кроме того, частицы наноустройств легко могут проникать в клетки через поры их стенок и накапливаться в органах. Последствия такого зашлаковывания пока неясны, но вряд ли они будут позитивными.
Вызывают определенную тревогу достижения в сфере генных манипуляций. Наиболее активные сторонники этого направления выдвинули идею "нормального человеческого генотипа", разделяющую как отдельных людей, так и целые расы на "правильные" и "неправильные". По некоторым прогнозам, уже в 2020 г. отбор сотрудников на важные корпоративные позиции в развитых странах будет происходить после анализа ДНК на наличие отклонений в здоровье, а в 2025 г. к такой проверке добавится процедура исследования химических процессов мозга, позволяющая выявить предрасположенность человека к антисоциальному и, может быть, антикорпоративному поведению.
Не решено сегодня и множество этических проблем. Общеизвестно негативное отношение жителей многих стран к генетически модифицированной пище (даже если она позволяет этим государствам избавиться от голода), к трансплантации органов (даже если они будут выращиваться искусственно) и т. д. Главным препятствием на пути нанотехнологий остается сам человек.
Возможности нанотехнологий
Практическое воплощение перечисленных далее прогнозов ожидается в период до 2060 г., хотя с 2025 г. возможна и более ранняя реализация отдельных пунктов. Такие оценки выдвигает немалое количество экспертов. Пока их прогнозы продолжают весьма точно сбываться, и не видно причин, способных этим прогнозам помешать. Многое зависит прежде всего от доступности вычислительных ресурсов, необходимых для моделирования нанотехнологических процессов.
Возможности нанотехнологий, которые будут доступны человечеству через 50-60 лет, таковы:
· программируемое позиционирование молекул с точностью 0,1 нм;
· работа наноустройства с частотой 1 ГГц;
· молекулярная сборка со скоростью 1 млн. операций в секунду на одно наноустройство;
· производство 1 кг произвольно заданного материала коллективом наноустройств за 2-3 ч;
· промышленные системы, способные удваивать объемы производства каждые 10 000 с;
· создание компактных нанокомпьютеров производительностью 10 000 Тфлопс на 1 Вт потребляемой мощности.
Переход к производству ОЗУ на базе углеродных трубок ожидается уже в следующем году. Компании Nanosys и In-Q-Tel (последняя финансируется ЦРУ и занимается рискованными технологическими проектами) взялись за разработку неорганических полупроводниковых наноструктур. Такие наноструктуры, развиваемые на основе теории квантовых точек, позволят создать квантовые лазеры, одноэлектронные транзисторы и т. д.
В ближайшие же пару десятилетий нанотехнологи обещают выпустить на массовый рынок устройства хранения одного терабайта информации (содержимое библиотеки Конгресса США) на носителе размером 1 см^3 и процессоры производительностью 1000 тфлопс. Такие ресурсы будут востребованы в системах интеллектуальной обработки сигналов, распознавания речи, организации высококачественной беспроводной связи и в различных военных приложениях. Ожидается также, что терафлопсные машины смогут в реальном времени предсказывать погоду. В середине второго десятилетия появятся первые молекулярные компьютеры, а вот квантовые вычислительные системы пока по-прежнему останутся в фазе исследований.
Существенно изменится структура рынка лекарств, объем которого только в США составляет 380 млрд. долл. В настоящее время доля фармакологических фирм, использующих нанотехнологии, равняется 1%, а вот через 10-15 лет их процент возрастет до 50%. Системы целевого клеточного воздействия появятся в продаже через 5-7 лет, а множество лекарств, полученных нанотехнологическим способом, находятся сегодня либо на этапе проектирования, либо на самых ранних стадиях клинических испытаний. Но уже через 3-5 лет суперкомпьютеры производительностью 1 петафлопс смоделируют работу белков и процесс проектирования новых лекарств существенно ускорится. А в 20-х годах будет отработана технология направленной эволюции белковых препаратов, которая позволит готовить лекарства точечного воздействия, не имеющие побочных эффектов.
Произойдут эволюционные изменения и в мировой энергетике. Сверхпрочная теплостойкая сталь, содержащая углеродные трубки, к 2005 г. существенно подешевеет и будет активно использоваться в оборудовании тепловых электростанций (ТЭС), благодаря чему оно сможет работать при более высоких температурах. В результате повысится КПД ТЭС и снизится уровень вредных выбросов. Хорошие теплоизолирующие свойства новых материалов с нанодобавками позволят автопроизводителям уже в 2010 г. наладить выпуск автомобилей, где электричество для питания всей бортовой электроники будет вырабатываться за счет утилизации вырабатываемого машиной тепла. А на базе новых полимеров начнется массовый выпуск компактных и эффективных солнечных батарей.
Правительство Великобритании выделило 66 млн. долл. (к которым добавилось 200 млн. долл. от частных инвесторов) на строительство Йоркширской электростанции, которая будет работать на биомассе (сене и древесине). Затем сеть таких станций намечено развернуть по всей Англии. Массовая вырубка деревьев для этой цели сегодня невозможна, но в 2010 г. ожидается выведение генетически модифицированных пород растений с высокой скоростью роста. Они могут стать новым видом топлива для подобных энергоструктур.
Япония во втором десятилетии намерена полностью отказаться от импорта нефти. Ее специалисты рассчитывают добраться до огромных запасов замороженного натурального газа (газогидрата) на дне океана и восстанавливать его с помощью органических нанокатализаторов. А российский Газпром обещает таким способом увеличить свои запасы газа в 50 раз за счет эксплуатации месторождений газогидрата в океанах и зонах вечной мерзлоты.
Ожидается массовое распространение источников питания высокой емкости. Метаноловые топливные элементы, процесс производства которых основан на нанотехнологиях, появятся уже в ближайшие годы, но срок их службы составит около 50 ч. А к 2020 г. возможен выпуск ядерных источников питания для мобильных устройств, в основе которых будут заложены наноконденсаторы. Такие устройства смогут работать без перезарядки 50 лет. Только за счет перевода бытовой техники на подобные источники удастся сэкономить 10% мировых энергоресурсов.
Смычка со смежными областями
В глобальном плане намечается смычка нано-, робото- и биотехнического направлений с исследованиями искусственного интеллекта. Еще в 2001 г. Национальный научный фонд США провел масштабное обсуждение возможных направлений стыковки этих научных областей. А в конце ноября 2003 г. Сенат США направил на подпись президенту акт о нанотехнологических разработках и исследованиях XXI века, которым открывается Национальная нанотехнологическая программа США, направленная на координацию междисциплинарных исследований. Ее координатором выступит Институт стандартов и технологий NIST. На ближайшие четыре года участники программы получат 3,7 млрд. долл. В Национальный научный фонд уйдет 1,7 млрд., в Министерство энергетики - 1,4 млрд., остальная сумма поступит в распоряжение НАСА, NIST и Агентства по защите окружающей среды. Акт задает ключевые направления инвестиций, требует выработать фундаментальное понимание потенциала технологий манипулирования нанообъектами и этические стандарты исследований, создать сеть нанотехнологических центров по всей стране и обеспечить лидерство США в этой области; он поддерживает начинающие компании и предлагает способы организации эффективного обучения и подготовки специалистов. В разделе документа, определяющего наиболее ответственные направления нанотехнологий, на первом месте расположились исследования по самосборщикам. Особое внимание уделено возможностям применения нанотехнологий в шифровании, оборонных задачах и искусственном интеллекте.
Сегодня открываются широкие возможности для экспериментов с нанотехнологиями на стыке самых разных научных направлений, и о множестве удивительных находок в этой сфере мы с вами узнаем в самое ближайшее время.
В статье использованы прогнозы из документа "International Strategy for Nanotechnology Research and Development" 2001 г. (Комитет по науке и технологиям Правительства США, nano.gov) и отчета 2003 г. "Future Technologies, Today’s Choices" Лондонского университета, подготовившего его по заказу GreenPeace, а также материалы Института предвидения (foresight.com).
Интересно узнать мнение читателей PC Week/RE о возможностях нанотехнологий. Пишите автору по адресу: sbo@pcweek.ru.
Окончание. Начало см. PC Week/RE, N 44/2003, с. 52.
