Достижения – конкретные примеры получения продуктов инновационных систем

Автор: академик, профессор, д.т.н. О.Л. Фиговский

3D-печать

Согласно одной из общепринятых моделей общества, а вместе с ним и производственных отношений, формирующих экономический каркас всех общественно-экономических систем, их развитие идёт по спирали, каждый из витков которой знаменуется принципиальным изменением подхода к производству, что сразу отражается на объёме производимой продукции, её качестве и доступности для потребителя. Когда-то применение паровых машин на фабриках, потом начало массового применения электричества, ещё позже изобретение конвейерного производства – на каждом из этих этапов производственная культура делала резкий рывок в стремлении удовлетворить растущие потребности потребителей. В наши дни таким фактором, давшим новый толчок прогрессу, стало распространение цифровых технологий: 3D-моделирования, 3D-сканирования, объёмной печати и роботизации. Цифровые технологии изменяют саму концепцию производства, делая его дешевле, точнее, быстрее и удобней.

Формально, про 3D-печать слышали многие. Развитие аддитивных технологий, как по-научному зовётся 3-D печать, происходит быстрыми темпами. Но они ещё не дошли до массового рынка, их продукция не стала предметом повседневного спроса, как нынешние гаджеты. Это связано с такими преградами, как знания о материалах, наличие 3D-модели, неочевидность применения технологии для задач клиентов. Ну и, разумеется, с людской психологией, с человеческой инертностью по отношению к чему-то новому и необычному. А ведь технологии 3-D печати, не замечаемые рядовым обывателям, уже вошли в их жизнь через ныне широко применяемое цифровое производство разнообразных пластиковых и металлических изделий. Хотя аддитивная технология в сфере промышленного производства сама по себе может вызвать очередную технологическую революцию, гораздо более поразительно развитие биопринтеров.

Нет ничего важнее здоровья, и уже сегодня цифровые технологии становятся буквально незаменимы в этой области. 3D-моделирование и 3D-печать успешно применяются в сфере, где особенно важен индивидуальный подход и строгое соответствие создаваемого предмета анатомии пациента. Уже сейчас так производят импланты, заменяющие поражённые кости и суставы. Просканировав область вмешательства и объединив данные с компьютерной томографией, врачи могут смоделировать и распечатать необходимый имплантат с точностью до долей миллиметра. После этого проверяется правильность геометрии полученного имплантата и происходит подготовка к операции на распечатанной по томографии пациента 3D-модели. Такие технологии уже несколько лет применяются во всем мире.

Также уже несколько лет создаются доступные бионические протезы, дающие новые возможности людям с ампутированными конечностями и даже животным. Врачи распечатывают индивидуальные шины, ортезы и лангеты, фиксирующие конечности при лечении переломов – они намного более удобны в применении и комфортны для пациента, чем традиционный гипс.

К примеру, прототип напечатанного на 3D-принтере механического протеза руки принёс своим создателям, британской компании робототехников Open Bionics, победу в национальной премии Джеймса Дайсона. Компания, базирующаяся в городе Бристоль, утверждает, что их проект может стать недорогостоящей альтернативой существующим на настоящий момент протезам, при этом специалисты могут создать индивидуальную роботизированную руку за два дня. Как правило, подобные продукты изготавливаются несколько недель или даже месяцев. Джоэл Гиббард, один из создателей роботизированной руки, утверждает, что он может рассчитать размер индивидуальной модели в считанные минуты с помощью планшета, оснащённого специальными датчиками. 3D-печать частей занимает 40 часов, а сведение их вместе – около двух часов.

Активно применяют новые 3D-технологии в стоматологии и челюстно-лицевой хирургии. Они позволяют с удивительной точностью планировать и проводить лечение, а также проектировать и создавать индивидуальные протезы и временные коронки как отдельных зубов, так и целых челюстных фрагментов.

Как это происходит:

1. Совмещается 3D-скан челюсти пациента с данными компьютерной томографии для высокоточного планирования размещения имплантата с учётом качества кости пациента, расположения нерва и артерии.

2. Определяется размер и форма имплантата и требуемый угол его установки.

3. По этим данным на 3D-принтере печатается хирургический шаблон, позволяющий не допустить врачебную ошибку при установке имплантата во время операции.

4. Печатается или фрезеруется временная коронка, для правильного заживления мягких тканей на послеоперационный период.

5. Печатается или фрезеруется постоянная металлокерамическая коронка из биосовместимого металла (титан или кобальт-хром).

Применяется 3D-печать и в ортодонтии для создания элайнеров – приспособлений исправляющих прикус, пришедших на смену неудобным и травмирующим брекет-системам. Этот метод сейчас довольно сильно набирает обороты по всему миру, элайнеры почти невидимы, но они действительно корректируют положение зубов и реально работают.

По большей части для изготовления 3D-печатных имплантатов используется тот же титановый порошок, что и для обычных. Их отличие в том, что 3D-принтер может придать порошку абсолютно любую форму. Вместо стандартных протезов, которые изготавливаются на промышленном оборудовании, 3D-принтер создаёт чрезвычайно сложные геометрические конструкции, которые идеально замещают повреждённые и разрушенные кости. Ещё одно преимущество 3D-печатных имплантатов заключается в пористой структуре, в которую врастают кости.

Самой ожидаемой технологией в медицине остаётся, конечно, печать живых органов. В отличие от традиционной трансплантации, восстановление тканей на основе 3D-печати позволит избежать таких проблем, как отторжение органов иммунной системой, а постановка технологии на поток откроет врачам возможность выращивать из клеток пациента новые органы, что поможет решить проблему нехватки органов для трансплантации. Широко известно напечатанное на 3D-прин-тере ухо, ведутся работы с клетками мышц, печени и кожи. В будущем, такие технологии позволят полностью восстанавливать повреждённые или утраченные ткани и органы.

А началось все, пожалуй, в 2002 году, когда профессор Тоямского универститета Макото Накамура увидел, что капли чернил в стандартном струйном принтере имеют примерно такой же размер, как клетки человека. После этого он адаптировал технологии и в 2008 году создал рабочую модель биопринтера, которая осуществляет печать биотрубочек, похожих на кровеносные сосуды, что вывело технологии 3D-печати на уровень медицинских приложений, где открылась возможность буквально распечатывать внутренние органы, готовые к трансплантации.

Другим пионером в области биопечати явилась компания Organovo, которая была создана исследовательской группой под руководством профессора Габора Форгача из университета Миссури. С марта 2008 года Organovo задалась целью создать технологии биопечати функционирующих кровеносных сосудов и сердечной ткани с помощью клеток, полученных из тканей цыплёнка. Эта работа опиралась на прототип биопринтера с тремя печатающими головками. Первые две головки выводят кардио- и эндотелиальные клетки, в то время как третья выделяет коллагеновую основу – так называемую «биобумагу» – для поддержки клеток во время печати. Как продемонстрировала компания Organovo, при использовании процесса биопечати не обязательно печатать орган во всех деталях. Достаточно правильно расположить соответствующие клетки в ряды, а природа сама завершит работу. Этот процесс красноречиво свидетельствует о том, что клетки, содержащиеся в биочернильных сфероидах способны перестраиваться после печати. Например, экспериментальные сосуды были напечатаны с помощью биопринтера с использованием биочернильных сфероидов и состояли из совокупности тканей эндотелия, гладких мышц и фибробластов. После того, как они были выстроены (уложены в слои) головкой биопринтера, эндотелиальные клетки мигрировали внутрь созданных кровеносных сосудов, клетки гладкой мускулатуры двигались в середину, а фибробласты мигрировали наружу без дополнительного вмешательства. Клетки более сложных тканей и органов, например, капилляров и других внутренних структур, после печати на биопринтере также самостоятельно принимают естественное положение. Этот процесс может показаться почти волшебным. Однако, как объясняет профессор Габор Форгач, он ничем не отличается от процесса, который происходит в клетках эмбриона, которые «знают», как правильно расположиться и сформировать сложные органы. Природа развила эту удивительную способность за миллионы лет. Соответствующие типы клеток, оказавшись в нужных местах, каким-то образом знают, что им делать.

В декабре 2010 года компания Organovo создала при помощи биопринтера первые кровеносные сосуды с использованием клеток, полученных от одного донора. Компания также успешно имплантировала нервы, созданные при помощи биопринтера, крысам. Ожидается, что первое коммерческое применение биопринтеров будет заключаться в производстве простых человеческих структурных тканей для токсикологических испытаний. Это позволит учёным тестировать лекарства на моделях печени и других органах, созданных на биопринтере, тем самым снижая потребность в экспериментах на животных. Organovo ожидает, что первым искусственно созданным человеческим органом станет почка, так как при трансплантации эти органы наиболее востребованы. Первые почки, созданные на биопринтере, не обязательно должны выглядеть и функционировать так же, как их природные аналоги. Главное, чтобы они очищали кровь от продуктов обмена.

Другое перспективное направление медицинских принтеров – печать имплантов для хирургии и стоматологии. Научный коллектив под руководством Джереми Мао в лаборатории тканевой инженерии и регенеративной медицины Колумбийского университета работает над применением биопринтеров для замены зубов и костей. Уже экспериментально создана решетчатая 3D-конструкция в форме резца и имплантирована в челюстную кость крысы. Эта структура состоит из микроканалов, которые наполнены веществами, стимулирующими развитие стволовых клеток. Всего через девять недель после имплантации они вызвали рост периодонтальной связки и образование альвеолярного отростка. Со временем эти исследования могут дать людям возможность иметь новые зубы, созданные на биопринтере, или получить их путем стимуляции организма к образованию собственных новых зубов.

3D-печать открывает новые возможности и такой области медицины, как трансплантация кожи. Так, команда исследователей биопечати под руководством Энтони Алата в Wake Forrest School of Medicine разработала принтер, создающий кожу. В начальных экспериментах они взяли 3D-сканы тестовых травм, нанесенных мышам, и использовали эти данные для управления головкой биопринтера, которая распыляет клетки кожи, коагулянты и коллаген на рану. Результаты этого эксперимента оказались также весьма многообещающими: заживление ран проходило всего за две – три недели (примерно пять-шесть недель – в контрольной группе). Частичное финансирование проекта создания кожи с помощью биопринтера осуществляется американскими военными, которые добиваются развития биопечати in situ, чтобы лечить раны прямо в боевых условиях.

По части медицинского применения 3D-печати небезынтересны и работы учёных из Имперского и Королевского колледжей Лондона, которые, объединив 3D-печать с криогенными технологиями, предложили методику, позволяющую с помощью 3D-принтера создавать структуры, аналогичные тканям мозга или лёгких. На данный момент существуют методы 3D-печати костей и тканей для органов с плотной структурой, таких как печень или почки. В этих случаях с помощью принтера создаётся трёхмерная подложка, каркас, на который «высаживают» клетки. Подложка печатается слой за слоем, но если она сделана из слишком мягкого материала, что имеет место при создании каркаса мозга или лёгких, то верхние слои будут деформировать нижние, и нужной структуры не получится.

Материалом печати подложки для тканей, подобных по структуре тканям мозга и лёгких, британские учёные выбрали композитный гидрогель, состоящий из растворимого в воде синтетического полимера и похожего на желе компонента под названием Phytagel. Чтобы избежать разрушения структуры, авторы работы предложили замораживать созданные слои перед нанесением следующих. В процессе печати гидрогелевые чернила замораживались с помощью сухого льда, а после оттаивания созданные из них структуры становились мягкими, как ткани тела, но не разрушались под собственным весом. В ходе тестирования технологии напечатанные структуры были засеяны фибробластами дермы – клетками, которые формируют соединительную ткань. Клетки успешно прижились. В будущем эту технику можно будет использовать для выращивания целых органов в нуждах трансплантологии и медицинской науки. Пока исследователи создали структуры размером в несколько сантиметров, но в дальнейшем намерены увеличить их масштабы.

У медицинской 3D-печати пока много ограничений, и главное из них – сложность соединения друг с другом капель биочернил – материала, из которого готовится структура живого органа. В настоящее время существует несколько методов склеивания капель биологических чернил вместе, но они не работают для всех типов клеток. В этом направлении интересна работа японских учёных, разработавших высокоточный метод соединения биочернил, расширяющий диапазон клеток, которые могут быть напечатаны на 3D-биопринтере. Основываясь на своей предыдущей работе, исследователи из Университета Осаки в Японии усовершенствовали свой новый метод соединения капель биочернил. Они использовали ферменты, которые позволяют напечатанным клеткам не терять форму, что даст возможность создавать сложные биологические структуры.

«Печать любой структуры ткани – сложный процесс, – говорит ведущий автор исследования Синдзи Сакаи. – Биочернила должны быть достаточно жидкими, чтобы течь через струйный принтер, но при этом быстро формировать гелеобразную структуру в процессе печати. Наш новый подход отвечает этим требованиям: мы используем полимер, который имеет отличный потенциал для создания тканей из широкого диапазона живых клеток».

В настоящее время в качестве главного гелеобразующего агента используется альгинат натрия. По словам учёных, он имеет некоторые проблемы совместимости с определёнными типами живых клеток. Новый подход основан на формировании гелевой структуры с помощью фермента, способного создавать поперечные связи между фенильными группами добавленного полимера в присутствии окислителя – пероксида водорода. По мнению учёных, новый подход позволит осуществить 3D-печать полностью функциональных живых тканей.

3D-печать на основе гелей открывает пути решения одной из проблем применения в медицине стволовых клеток – их выращивание. Современные способы выращивания стволовых клеток используют технологию 2D-поверхностей. Для этого требуется очень много места, потому процесс получается не просто технически сложным, но и весьма затратным. Естественно, тут на ум приходит выращивать стволовые клетки не на двумерной плоскости, а в трёхмерном пространстве. Но к тому надо найти среду, в которой стволовые клетки могли бы делиться, не теряя свои регенеративные свойства. Решение было предложено сотрудниками Стэнфордского университета – им удалось создать гель, позволяющий стволовым клеткам расти в трёхмерном пространстве, а не в одной плоскости.

Новый 3D-гель даёт возможность стволовым клеткам взаимодействовать с окружающей их средой, при этом оставаясь в контакте друг с другом. Контакт между клетками крайне важен, так как без него они быстро теряют свои регенеративные свойства и становятся непригодными для использования в лечении. Кроме того, новый способ выращивания клеток требует ощутимо меньше питательных веществ и энергии.

«Для выращивания 3D-культуры нам нужно лабораторное пространство всего 16 квадратных дюймов. Для сравнения: 2D-культивирование того же количества стволовых клеток отняло бы у нас пространство в 16 квадратных футов. Разница более чем в 100 раз. Впечатляет, не правда ли?», – поделился с прессой главный автор исследования Крис Мадл, доктор биоинженерии в лаборатории Хэйлшорн при Стэнфорде.

Новая технология была опробована исключительно на нейронных стволовых клетках, которые пригодны для лечения повреждённого спинного мозга или, например, болезни Паркинсона. В будущем учёные планируют протестировать свою методику и на других видах стволовых клеток.

Несмотря на все успехи 3D-печати, которая позволяет использовать в качестве «чернил» даже живые клетки, формирование сложноструктурированных тканей и органов пока остаётся задачей будущего. Заметный шаг к этому сделали учёные Калифорнийского университета в Дэвисе. Профессор Ричард Шнайдер и его команда научились распечатывать фрагменты соединительной ткани произвольной конфигурации, используя метод ДНК-направляемого соединения клеток (DNA-Programmed Assembly of Cells, DPAC). Нужную форму такая структура приобретает благодаря механическим свойствам самих клеток – в данном случае благодаря соединительной ткани мезенхимы, полученной у эмбрионов мышей, хотя в принципе в этой роли могут выступить и другие «механически активные» клетки, способные к образованию устойчивых связей друг с другом.

Основу структуры обеспечил коллагеновый гель, аналогичный естественному внеклеточному матриксу. Точная 3D-печать DPAC позволила наносить на неё клетки с высокой точностью, в несколько слоёв, так, что в одном слое они стремились стянуться ближе друг к другу, а в другом – разойтись. Учёные показали, что, контролируя это поведение, можно заставить структуру свернуться или выгнуться, сложиться гармошкой и вообще образовать нужную форму. Авторы надеются, что этот подход откроет возможности 3D-печати уже полноценных фрагментов сложных тканей и органов.

Тем более, что уже сейчас:

— В Корнельском университете с помощью 3D-принтера учёные напечатали искусственное ухо из коллагена и культуры клеток.

— Британские дантисты вырастили первый зуб из стволовых и альвеолярных клеток.

— Учёные из Центрального госпиталя Массачусетса успешно пересадили живой крысе почку, выращенную из стволовых клеток на соединительном тканном каркасе от трупного донора.

— Японские учёные вырастили из стволовых клеток рабочую печень и успешно пересадили её живой мыши.

— В США микрохирурги пересадили человеку биоинженерные вены в руку.

Это только то, что сегодня на слуху, а что выйдет из лабораторий завтра – одним разработчикам известно. Ясно одно – 3D-печать открывает перед медициной такие возможности, которые до сей поры были лишь в ведении творца мира сего. Усилиями учёных и инженеров мы приблизились к его возможностям. Что будет завтра, зависит от нас. В первую очередь от потребителей – если смогут они морально и материально принять новые медицинские технологии, то за ними и все остальные двинутся: инвесторы – с деньгами, правительства – с программами, учёные – с новыми идеями, инженеры – с техническими воплощениями.

На волне 3D-печати в лаборатории учёных и конструкторские бюро инженеров вошли технологии 4D-печати. Обычно под 4D подразумевают четырёхмерное пространство, в котором существуют четырёхмерные объекты. Несколько лет назад термин 4D стали использовать для обозначения особой технологии печати предметов, меняющих свои характеристики с течением времени. Таким образом, в 4D-печати «четвертым» называют не измерение, а параметр, с которым связано положение и функция объекта. Технологии 4D-принтера вряд ли можно назвать революционными по сравнению с обычной 3D-печатью, поскольку объект точно также создаётся слой за слоем. Самое интересное происходит потом, когда готовый предмет начинает меняться. И здесь всё зависит от того, какой материал используется в принтере. Специальные материалы изменяются под воздействием воды, тепла, света, механического воздействия, а также могут быть запрограммированы на определённые действия.

Ряд примеров разработок из области 4D-печати.

Австралийские учёные изобрели 4D-печать для создания изменяющихся во времени объектов. Они решили модифицировать 3D-принтеры, добавив измерение времени и позволив напечатанным продуктам изменять свои свойства под воздействием внешних факторов. Работу выполнили учёные Вуллонгонгского университета, специализирующиеся на физике полимеров и электроматериалов: Шэннон Бакарич, Марк Панхуис, Роберт Горкин и Джоффри Спинкс. Они выбрали для создания своих прототипов расходный материал из гидрогеля из-за его способности изменять свой объём под воздействием внешних факторов. В качестве примера учёные Вуллонгонгского университета создали «умный вентиль», который способен автоматически закрываться, если по нему начинает течь горячая вода. По словам Марка Панхуиса, для таких устройств не требуется дополнительная сборка по сравнению с 3D-принтерами – всё отличие заключается в используемых материалах.

По тому же пути в направлении 4D-печати пошли и исследователи из Университета Джорджии, которые разработали 3D-принтер, способный печатать объекты с заранее запрограммированным поведением во времени. Ключевым решением в разработке стало использование полимеров с эффектом памяти формы. Учёные из Джорджии подобрали семь различных полимерных материалов, способных восстанавливать свою форму при нагревании. В «расслабленном» состоянии они стремились к сворачиванию. Из-за разницы в их внутреннем строении, скорость, с которой полимеры восстанавливали свою форму при данной температуре, различалась. Например, самый быстрый материал при 80 °C сворачивался за 11 секунд, а самый медленный – примерно за 18. С помощью принтера печатался трёхмерный объект – развёртка будущей фигуры. Она состояла из твёрдых фрагментов и «суставов», которые были сделаны из одного из семи материалов с памятью формы. Эти стыки находились в «напряжённом» состоянии. Затем объект помещали в горячую воду, где «суставы» начинали сгибаться. Благодаря знанию о том, с какой скоростью будет сворачиваться каждый из «суставов» конструкции, учёные заранее определяли все траектории движения отдельных частей объекта и точно знали, какую форму он примет в конце. Так, удалось создать ленту, сворачивающуюся при нагревании в «квадратную» спираль, а также конструкцию, которая сцепляется сама с собой в процессе сворачивания. Кроме того, была разработана модель самостоятельно складывающейся коробки, содержащей внутри себя прорези и вставляемые в них выступы. Сворачивание происходило без внутренних столкновений между частями развёртки. Техника получила название четырёхмерной печати, поскольку в трёхмерную конструкцию словно бы закладываются инструкции о поведении в четвёртом измерении – времени. Аналогичные проекты существовали и ранее, но они предполагали нагрев «суставов» до разных температур для достижения различных скоростей их сгибания.

Изменение формы объекта 3D-печати не обязательно должно происходить под действием тепла – его форма может меняться благодаря контакту с водой, светом или какими-либо другими внешними факторами.

Так, исследователи из лаборатории Self-Assembly Lab Массачусетского технологического института разработали 2D-шаблон, который при погружении в воду складывается в куб. Лаборатория создала много разнообразных изделий, способных самостоятельно принимать нужную форму или самособираться. Они показали шнурки, которые сами себя зашнуруют, и предметы мебели, которые самостоятельно раскладываются.

А команда учёных Гарвардского университета обратила внимание на растения, которые реагируют и изменяют свою форму в ответ на стимулы окружающей среды. По результатам наблюдений и исследований этого процесса были разработаны гидрогелевые композитные структуры, меняющие форму при погружении в воду. Объект в форме цветка орхидеи напечатали гидрогелевыми композитными чернилами, содержащими определённо направленные волокна целлюлозы. Чтобы придать древесным волокнам нужное направление, их смешали с акриламидным гидрогелем. При погружении в воду получившееся вещество изменяет свои геометрические размеры заранее определённым образом. Композитные чернила позволяют получать изделия разной формы. Более того, можно менять состав материала для получения определённых свойств, например, электропроводности или биосовместимости.

Исследователи из Университета Колорадо разработали методику 4D-печати, включив полимерные волокна с «эффектом памяти формы» в композитные материалы, используемые в традиционной 3D-печати. В качестве примеров применения технологии назывались солнечные батареи, способные сворачиваться и разворачиваться для транспортировки, автомобильные покрытия, адаптирующиеся к среде, а также военная форма, меняющая тип камуфляжа или эффективнее защищающая от газа или осколков.

Объединённая группа учёных из Сингапурского университета технологии и дизайна, MIT и Технологического института Джорджии разработала новый метод 4D-печати на основе воздействия светом на фоточувствительные материалы. Новая методика печати способна создавать элементы толщиной в человеческий волос. В принтер заливали раствор фоточувствительного полимера и проецировали слой за слоем требуемый объект, обрабатывая материал ультрафиолетом. Для проверки, что полимер способен восстанавливаться после деформаций, исследователи напечатали мягкий манипулятор, который в свободном состоянии закрыт. С его помощью учёные смогли успешно захватывать небольшие предметы. Уже на данном этапе подобную технологию можно адаптировать для реального применения, к примеру, создать капсулы, высвобождающие вещества при повышении температуры тела.

Инженеры НАСА С помощью 4D-печати создали металлическую ткань для защиты спутников от повреждений и радиации, а также для производства гибких антенн. Ткань представляет собой своеобразную «кольчугу», созданную из кусочков серебра и других металлов. Материал можно многократно сгибать, разгибать, растягивать и сжимать. Каждая сторона ткани обладает собственными свойствами, отражает или поглощает свет и тепло. Несмотря на гибкость, ткань крайне трудно разорвать. Планируется, что в защитный материал будут упаковывать спутники перед их выводом в космос, либо с его помощью станут экранировать скафандры и обитаемые модули.

Международный институт нанотехнологий Северо-Западного университета получил грант от Министерства обороны США для разработки 4D-принтера. Четырёхмерный принтер будет использоваться для исследований в области химии, материаловедения и в областях, связанных с обороной. Предполагается, что 4D-печать позволит создавать новые химические и биологические датчики, конструкции и материалы для микрочипов. В настоящее время прогресс сдерживает отсутствие недорогого оборудования, способного выполнять печать со сверхвысоким разрешением (примерно в 1000 раз меньше толщины человеческого волоса) из твёрдых материалов (металлов и полупроводников) и мягких материалов (органических тканей). Четырёхмерный принтер станет основой нового поколения инструментов для разработки архитектур, в которых материалы, формирующие функциональные компоненты электроники, могут быть объединены с биологическими объектами.

Биопринтеры и 4D-печать – это все-таки будущее, хоть и стоящее на пороге, но ещё не вошедшее в нашу жизнь повседневными изделиями и продуктами. А промышленная 3D-печать – это уже вот оно, готово к употреблению.

В инженерном производстве уже давно и широко используются современные цифровые технологии, такие как CAD 3D-моделирование, 3D-сканирование и трёхмерная печать. Новый тренд этих технологий – применение вместе с элементами автоматизации как частью промышленных роботов и автоматических станков. Например, 3D-сканирование широко применяется в контроле качества, а 3D-печать, вместе с автоматизированными фрезерными и токарными станками, в производственных цехах. Уже существуют промышленные 3D-принтеры, способные создавать трёхмерные формы весьма внушительных размеров. Недалёк тот день, когда созданный инженерами проект, представленный в цифровом виде, будет полностью воплощаться в жизнь промышленными роботами без прямого дальнейшего участия человека.

В автомобильной промышленности в первую очередь – это создание CAD 3D-моделей и прототипирование. Сейчас этот симбиоз вышел на новый уровень – из конструкторских бюро попал в производство. Глобальная роботизация начинается как раз с автомобилестроения, и армия роботов (пока не без помощи людей) уже осуществляет сборку автомобилей на заводах. Уже есть примеры создания рам и кузовов, которые полностью напечатаны на 3D-принтере. Это относится и к тюнингу – молдинги, спойлеры, декоративные элементы, колёсные колпаки. Что уж говорить об отдельных небольших элементах – функциональных деталях и деталях оформления, многие из которых не составит труда распечатать и на небольшом бытовом принтере. 3D-сканирование применяется и в ремонте, оно позволяет с высокой точностью диагностировать отклонения в геометрии кузова и легко создавать модели для последующей печати элементов на замену. С развитием технологий объёмной печати, позволяющих печатать сложные функциональные детали из многих различных материалов, могут появиться и полностью 3D-печатные автомобили, каждая деталь которых будет создана 3D-принтером.

За примерами уже сейчас далеко ходить не надо.

Так, немецкая автомобилестроительная компания Street Scooter полностью закончила работу по созданию прототипа малогабаритного электрического автомобиля C16. И самым интересным в этом является то, что практически весь кузов автомобиля и большая часть других его узлов и деталей были изготовлены при помощи промышленного трёхмерного принтера Stratasys Objet 1000 3D Production System, способного печатать несколькими различными материалами. Среди деталей автомобиля C16, изготовленных на трёхмерном принтере, можно выделить такие габаритные детали, как передняя и задняя части кузова, двери, бампера, юбки кузова и колёсные арки. Кроме этого, практически весь салон и множество небольших деталей ходовой, трансмиссии также были изготовлены на принтере. Конечно, пока большое количество деталей и узлов автомобиля C16 было изготовлено более традиционными способами или взято в готовом виде. Однако, использование технологий трёхмерной печати позволило существенно сократить цикл производства от разработки до изготовления опытного образца, на что ушло всего 12 месяцев. И, следует отметить, что опытный образец электромобиля C16 вполне удался, он уже показал на полигоне, что выдерживает даже самые жёсткие испытания не хуже транспортных средств, изготовленных из традиционных деталей обычными методами. Трёхмерный принтер Objet 1000 является одним из самых больших промышленных трёхмерных принтеров, способных печатать объекты сразу несколькими различными материалами, с его помощью помощью компания KOR EcoLogic уже изготавливала элементы кузовов и другие детали для автомобиля Urbee.

А израильское подразделение компании Autodesk Inc. в сотрудничестве с израильским стартапом Massivit напечатали на 3D-принтере детали первого в мире 3D-автомобиля Strati, созданного и разработанного компанией Local Motors. Плоды сотрудничества представили на конференции для инноваторов в области автомобилестроения Eco Motion в Центре мира имени Шимона Переса в Тель-Авиве. Autodesk разработала полноценную, открытую и бесплатную платформу для 3D-печати Spark, которая передает цифровую информацию на 3D-принтеры. Компания предоставила Massivit программное обеспечение для распечатки 3D-модели Strati. Руководство Autodesk считает, что революция в 3D-печати преобразит отрасль автомобилестроения, резко уменьшив объем отходов и стоимость сборки. Руководитель подразделения 3D-печати в Autodesk Эйтан Царфати заявил, что платформа Spark предоставит «строительные блоки» для инноваций, которые могут быть использованы дизайнерами, производителями и разработчиками программного обеспечения, чтобы раздвинуть границы технологии 3D-печати.

Дальше – больше. Американская компания Divergent Microfactories представила Blade – первый суперкар с шасси, полностью напечатанном на 3D-принтере. Автомобиль весит 629 кг и разгоняется до 100 км за 2,5 секунды. Blade оснащен двигателем мощностью в 700 лошадиных сил, а в качестве топлива использует бензин или сжатый газ. «Divergent Microfactories создала первый в мире функциональный суперкар, который печатается на 3D-принтере, – рассказывает председатель совета директоров компании Кевин Зингер. – Автомобиль, который мы сейчас видим, наносит на две трети меньше вреда окружающей среде, чем, скажем, электромобиль, с аккумулятором ёмкостью в 85 киловатт-час», – уверяет глава компании. Вред окружающей среде удаётся уменьшить за счёт исключения из процесса производства машины этапа заводской сборки. Основной продукт компании – наборы из отпечатанных на 3D-принтере алюминиевых модулей и карбоновых трубок. Этот «конструктор» позволяет силой команды из трёх человек вне цеха собирать функциональные автошасси разных типов. В шасси Blade, например, используется 27,6 кг алюминия и 18,6 кг карбона. На его ручную сборку уходит полчаса.

Не отстаёт в деле внедрения 3D-печати в производство и такой гигант автомобилестроения, как компания Ford. С конвейеров заводов Ford каждую минуту сходит 12 автомобилей. Американской компании Local Motors для создания авто потребовалось шесть дней, а свою машину она собирала на глазах у посетителей автосалона в Чикаго. Мало того, практически все детали авто были сделаны прямо на стенде. Дело в том, что Ford пользуется традиционными технологиями создания авто, а спецы Local Motors печатают кузова и комплектующие на 3D-принтере. И тут 3D-печать – далеко уже не фантастика. Тот же Ford, к примеру, широко использует эту технологию для «распечатки» прототипов новых моделей и выпуска прозрачных автокомпонентов, используемых для проведения более точных и наглядных испытаний. Иными словами, переход автопрома от литья к печати произойдёт довольно скоро, тем более, что это позволит производителям в разы повысить рентабельность и гибкость производства.

«Вместо того, чтобы иметь один сборочный цех, скажем, в Детройте или Токио, мы располагаем микропроизводства во многих странах, – поясняет ведущий инженер Loсal Motors Джеймс Ерл, – благодаря чему покупатель может активно следить за тем, как печатают заказанный автомобиль и живо участвовать в его создании». Тем более, что это не потребует гигантских инвестиций: детали, созданные с помощью 3D-принтера (кузов), обойдутся максимум в 5 тысяч USD. При том, что стоимость модели Strati составит от 18 до 30 тысяч долларов в зависимости от количества опций и комплектации

Первый 3D-принтер в компании Ford заработал много лет назад. Именно с помощью подобного устройства в 2010 году инженерам удалось выявить и быстро устранить неисправность в тормозной системе тогда лишь готовившегося к запуску Ford Explorer. Если бы дефект выявляли традиционными способами, машина вышла бы на рынки на четыре месяца позже. Кроме того, 3D-принтер помог специалистам Ford в минимальные сроки увеличить эффективность моторов линейки Eco Boost (включая новый мотор объёмом в 2,7 литра, предназначенный для F-150). Помимо прочего 3D-печать используется и при создании прототипов, снизив себестоимость производства с 20 до 2 тысяч долларов на деталь. Эксперты полагают, что технология получит широкое распространение не только в области дизайна или в опытных лабораториях, но и в производстве сложных по конфигурации деталей. Кроме того, их будут применять для производства небольших партий запчастей для старых и раритетных авто.

Другим потенциальным потребителем 3D-печати является авиастроение. Британская оборонная кампания «BAE System» провела лётные испытания истребителя Tornado GR.4 ВВС Великобритании с несколькими «распечатанными» металлическими деталям. Боевой самолёт совершил полёт с авиабазы в Уортоне графства Ланкашир в декабре 2013 года. Испытания были признаны успешными. Полный список «распечатанных» деталей, установленных на истребителе, не уточняется. Проектирование и трёхмерная «печать» запчастей для истребителей ведутся BAE Systems по контракту с министерством обороны Великобритании. Какая именно технология используется, не уточняется. Предположительно, речь может идти о технологии прямого металлического лазерного спекания (Direct Metal Laser Sintering, DMLS). Как ожидается, применение на истребителях типа Tornado «распечатанных» деталей позволит ВВС Великобритании сэкономить 1,2 миллиона фунтов стерлингов за четыре года. Проектирование и «печать» металлических запчастей осуществляются компанией BAE Systems на авиабазе «Марэм» в Норфолке. В частности, речь идёт о защитных кожухах радиостанций в кабине пилота и вала отбора мощности. Стоимость некоторых «печатаемых» деталей составляет менее ста фунтов стерлингов. «Печатаемыми» запчастями планируется оснастить четыре эскадрильи истребителей Tornado GR.4.

Следует отметить, что технология металлической «печати» в оборонной промышленности в последнее время становится все более популярной. При DMLS-печати металлический порошок, насыпанный в ёмкость, при помощи лазера расплавляется в однородную структуру. «Печать» осуществляется послойно, причём толщина каждого слоя составляет около 20 микрон. Изготовленные таким способом детали не требуют дополнительной механической обработки.

Американская компания Solid Components решила доказать, что технология DMLS достаточно надёжна и точна, чтобы её можно было использовать в производстве оружия. Для этого предприятие «распечатало» из металла действующую модель армейского пистолета M1911 калибра .45 ACP, стоявшего на вооружении США с 1911-го по 1985 год. Согласно пресс-релизу компании, оружие, получившее название 1911 DMLS, было «напечатано» методом прямого металлического лазерного спекания (Direct Metal Laser Sintering, DMLS) из нержавеющей стали марки 17-4PH и инконеля марки 625. Испытания оружия оказались удачными.

«Напечатанный» пистолет состоит из 33 деталей, полностью выполненных по технологии DMLS (кроме пружин, которые были изготовлены отдельно). Сначала оружие было испытано, будучи закреплённым на верстаке (нажатие спускового крючка осуществлялось путём натягивания верёвки), а затем при удержании пистолета в руке. Оружие отработало без задержек, не получив видимых повреждений. Детали пистолета изготовлены методом прямого лазерного спекания металла (DMLS), таким же методом, который использует НАСА для печати деталей ракетных двигателей. Только пружинки были изготовлены отдельно. После печати детали были отполированы и подогнаны друг к другу вручную. Во время испытаний пистолет доказал высокую точность стрельбы. Согласно заявлению Solid Concepts, 1911 DMLS был «напечатан», так как компания таким способом хотела показать, что технологии прямого металлического лазерного спекания достаточно надёжны и точны, чтобы их можно было применять для «печати» различных оружейных деталей. Кроме того, инженеры хотели показать, что «напечатанные» металлические детали обладают хорошей прочностью. При DMLS-печати металлический порошок (нержавеющая сталь 17-4PH и 17-5PH, инконель 625 и 718 и титан Ti6Alv4), насыпанный в ёмкость, расплавляется в однородную структуру. «Печать» осуществляется послойно, причём толщина каждого слоя составляет около 20 микрон. После каждого расплавления специальное устройство утапливает «напечатанный» слой в порошок, одновременно нанося поверх него новый слой металла для спекания. Изготовленные таким методом детали не требуют дополнительной механической обработки. Пистолет M1911 был разработан Джоном Браунингом в 1911 году под патрон калибра .45 ACP (11,43×23 миллиметра). При длине 216, высоте 135 и ширине 30 миллиметров масса пистолета составляет 1,12 килограмма без магазина. Оружие работает по принципу отдачи при коротком ходе ствола, запирание которого осуществляется двумя боевыми упорами. Прицельная дальность M1911 составляет 50 метров. Оружие комплектуется магазином на семь патронов.

Не менее крупным пользователем 3D-печати является строительная отрасль. Так, итальянская компания WASP продемонстрировала свой 3D-принтер, способный производить дешёвое жильё из глины. Саманные дома – уже давно не инновация, но они достаточно привлекательны из-за их экологичности и устойчивости. Представители WASP считают, что строительство таких домов стоит осуществлять в развивающихся регионах мира, где традиционные формы строительства неосуществимы. На создание структур дизайнеров вдохновили насекомые – грязевые осы, создающие свои гнёзда с использованием грязи. Собственно, wasp переводится с английского языка как «оса». Глина в новом принтере выдавливается подобно глазури и затем застывает. Высота устройства составляет около 6 метров, при том оно способно производить печатные структуры до 3 метров в высоту, примерно как принтер, используемый китайской компанией, с помощью которого в начале 2014 года удалось построить 10 домов менее чем за 24 часа. По словам представителей компании WASP, корпус дома может быть построен с использованием материалов, полученных в месте строительства по нулевой стоимости (для возведения домов может использоваться не только грязевая глина, но и другие натуральные материалы). Демонстрация изобретения состоялась в октябре 2014 года на римской выставке Maker Faire. Неполная модель (размером в 4 метра) способна производить небольшие модели саманных домов и служит доказательством работоспособности концепции.

«Мы будем работать со смесью глины и песка, – сказал генеральный директор компании Массимо Моретти перед презентацией принтера. – Для производства полноценного дома понадобятся недели, а так как на выставке в Риме у нас будет всего два дня, придётся привезти уменьшенную копию и делать меньшие по размеру здания. Но сама технология и материалы уже прошли испытания – и они работают».

Представители компании также уверены, что данная технология найдёт своё применение и в медицине. Они изучают 3D-печать при помощи керамики (гидроксил апатита), биостекла (bio glass) и оксида алюминия для создания костных имплантатов с такой же пористой структурой, что и настоящая кость.

Аналогичный революционный метод строительства (Stone Spray Project) был создан Петром Новиковым, Индер Шергилл и Анной Кулик в Институте Перспективной Архитектуры (Каталония, Испания). Робот смешивает почву и песок с фиксирующим компонентом, а затем с помощью форсунок печатает объект (колонны, дуговые несущие конструкции). Роботу для работы требуется совсем немного энергии. Он может использовать исключительно солнечную энергию, без внешних источников питания.

А компания из Шанхая нашла способ производить жилые дома из промышленных отходов с завидной производительностью – до десяти компактных жилых домов в день. Китайская архитектурная компания Winsun уже наладила «печать» небольших жилых зданий, используя в качестве материала переработанные строительные отходы. Для производства используется гигантский промышленный принтер, размеры которого составляют 150х10х6 метров. Помимо высокой скорости производства, напечатанные дома отличаются низкой стоимостью – менее 5 тысяч долларов за единицу. Технология уже признана перспективной и способной решить вопросы с быстровозводимым жильём для малообеспеченных слоёв населения. Планируется построить около 100 заводов по переработки строительного мусора в «чернила» для подобных устройств.

Стоит отметить, что китайцы, пожалуй, идут впереди планеты всей по части применения 3D-технологий в возведении жилья. Так в Китае за 3 часа на 3D-принтере напечатали полноценную двухэтажную виллу. А вечером того же дня ZhuoDa Group, фирма которая вплотную занялась 3D-строительством домов в КНР, построила ещё один дом. «Вилла из 3D-принтера» построена из отдельных модулей, которые изготавливаются на фабрике сразу целиком, включая внутреннюю отделку, проводку, водопровод, сантехнику, мебель и прочее. Фактически, дом готов уже на 90%, когда его модули привозят на строительную площадку. Фрагменты самого дома печатаются из определённого состава, который держится в тайне. Кроме того, дом отличается высокой теплоизоляцией – в нём не жарко летом и не холодно зимой. Известно, что в этот секретный состав входят материалы, полученные из промышленных и сельскохозяйственных отходов. Именно поэтому в готовых модулях не присутствует вредных веществ. Сообщается, что напечатанный на принтере дом имеет способность выдержать землетрясения с магнитудой 9 баллов, не боится огня и воды. Отмечается, что после завершения печати готовые модули просто собираются бригадой рабочих. Таким образом, конечная стоимость домов из 3D-принтера гораздо ниже, чем домов, построенных с использованием других методов. Для сборки двухэтажной виллы требуется шесть 3D-модулей, на каждый квадратный метр которых приходится примерно 100 кг веса. У ZhuoDa Group есть 22 патента на новый материал и подписанные контракты по 40 государственным проектам. Прогнозируется, что площадь домов, построенных Zhuoda Group, достигнет 2 млрд. кв. м, а их суммарная стоимость составит $1,2 трлн.

Эксперименты по применению 3D-печати в строительстве ведутся во всем мире. Технология применяется как при проектировании, где очень полезны промышленные 3D-сканеры и специальные программы, так и непосредственно в создании объектов. Специальные строительные 3D-принтеры печатают модульные блоки и целые здания из бетона. Строительная 3D-печать позволяет создавать объекты необычных и нестандартных форм, недоступные для обычного серийного строительства, при этом, производство происходит из стандартных смесей с применением армирования. В перспективе мы увидим в работе агрегаты, способные в считанные часы напечатать небольшой коттедж полностью – от фундамента и коммуникаций до флюгера на крыше.

Уходят в историю времена, когда архитекторам, при создании макетов зданий, приходилось пачкать руки клеем и дышать испарениями разрезаемого раскалённой проволокой пенопласта. Всё большее место занимает софт и технические устройства, позволяющие намного удобнее и быстрее, а главное – точнее – создавать макеты будущих объектов. 3D-принтеры способны распечатывать, в зависимости от размеров, части или целые макеты с точностью, о которой раньше никто и не помышлял. Малейшие архитектурные элементы видны на них столь же отчётливо, как на уже построенных зданиях, а стоимость самих макетов становится ниже и скорость изготовления выше. Есть технологии, позволяющие печатать сразу в цвете не только из гипса или бумаги, но и из мультиматериального пластика с градиентами разной степени прозрачности. Всё идёт к тому, что уже скоро, независимо от масштаба макета или модели, невозможно будет на глаз отличить их от настоящего объекта. Не считая явной разницы в размерах, конечно.

Пример такого подхода – фантастическая разработка группы специалистов из Франции, разработавших проект здания для Марса, изготовленного методом 3D-печати. Дизайн сооружения Sfero Bubble House весьма неординарен и заслуживает особого внимания. Оно, конечно, на сей момент – фантастика, но, как знать, как знать… Во-первых, если не ставить перед собой грандиозные цели, то так и будешь с 3D-принтером саманные домики строить. Оно, конечно, прибыльно, но скучно. Во-вторых, при наличии инженерной смекалки этот марсианский проект можно на землю опустить и уже сейчас монетизировать.

Название «Sfero» является комбинацией слогов, взятых из слов «Sphere», «Iron» и «Water». Строительство этого сооружения начинается с бурения достаточно глубокого отверстия, внутрь которого запускается один из двух роботизированных манипуляторов. Первый манипулятор действует как своего рода пылесос, подавая наверх материал и одновременно сооружая котлован для будущего здания. А второй манипулятор, используя смесь материала со связующими веществами, строит купол, накрывающий котлован. Большая часть помещений Sfero Bubble House находится ниже уровня поверхности грунта. Наверху только один этаж этого сооружения, где может быть расположена зелёная зона и некоторые из рабочих помещений. Все этажи сооружения соединены винтовой лестницей, по которой марсианские колонисты будут спускаться в спальные помещения, в зону отдыха и попадать на склады, где хранятся различные припасы и оборудование. Наружные стены, образующие купол над сооружением, будут состоять из двух слоёв, между которыми будет присутствовать слой воды, полученной из растопленного марсианского льда, запасов которого в районах полюсов Красной Планеты более чем предостаточно. Эта вода будет защищать внутренние помещения от радиации снаружи и одновременно выступать в роли теплового стабилизатора, позволяющего сгладить резкие температурные колебания. Согласно мнению членов группы Fabulous, идеальным местом для возведения сооружений типа Sfero Bubble House является район кратера Гейла, там, где работал марсоход Curiosity. Марсианский грунт в этом районе богат соединениями железа, что достаточно легко позволит превратить его в строительный материал, обладающий высокой прочностью и высоким уровнем защиты от радиации.

При всей фантазийности французского марсианского проекта интересен заложенный в нем принцип применения 3D-печати в строительстве – брать материал для сооружений непосредственно на месте их возведения, формовать из него на 3D-принтере конструкционные элементы сооружения и строительные блоки в соответствии с программной частью проекта, компоновать все это в каркас сооружения и элементы его интерьера без непосредственного участия человека.

Технология объёмной печати вызывает пристальный интерес NASA. Как и герои Роберта Шекли, специалисты NASA понимают, насколько удобнее не тащить на орбиту множество необходимого или только потенциально необходимого оборудования, а изготавливать его прямо в космосе по надобности. Но для этого нужно научить 3D-принтеры работать в условиях невесомости. Этим совместно с NASA занимается компания «Made in Space». Она начала с серии экспериментов в условиях искусственной невесомости, созданной во время полётов в самолётах проекта NASA Flight Opportunities. После этих экспериментов на орбиту был запущен первый 3D-принтер, созданный для работы в космосе. Запуск был произведён с мыса Канаверал с Международной космической станцией в качестве пункта назначения.

Новая «космическая мастерская» стала первым образцом применения 3D-печатных технологий в космосе для создания запасных частей, инструментов и, в особенности, разрешения экстренных ситуаций за счёт немедленного создания срочно требующихся компонентов без ожидания доставки с Земли. 3D-принтер на орбите является разработкой компании «Made In Space» по контракту с Космическим центром Маршалла, входящим в состав НАСА. Установка спроектирована с учётом требований эксплуатации в условиях отсутствия гравитации. По прибытию принтера на космическую станцию он был установлен в специальный изолированный отсек для проведения серии опытных экспериментов по печати. Принтер находился под управлением разработчиков из Made In Space. В ходе экспериментов по 3D-печати в невесомости была напечатана серия опытных образцов, включая детали, инструменты и студенческие проекты, разработанные в ходе программы STEM.

«При разработке принтера для космической станции мы столкнулись с массой всевозможных трудностей. Начиная от регулировки температурного режима и заканчивая жёсткими требованиями безопасности, нам пришлось решать десятки различных проблем, – поделился деталями проекта Аарон Кеммер, генеральный директор Made In Space. – Мы гордимся проделанной работой и рады видеть, что детище команды Made In Space и сотрудников Центра Маршалла, наконец, проходит главное испытание. Это новый этап в обеспечении космических миссий, который произведёт переворот в космической логистике и планировании космических полётов».

«Эксперименты по применению аддитивного производства в космосе со временем приведут к использованию аналогичных технологий на космических станциях, исследовательских аппаратах в открытом космосе и даже в космических колониях будущего, – развивает свою идею Аарон Кеммер. – Возможность быстрого производства ключевых материалов жизненно необходима, если человечество собирается оставить свой след на просторах Вселенной. Это уже будет не просто 3D-принтер и даже не просто орбитальная мастерская – это очередной рывок человеческого прогресса. Впервые в нашей истории мы сможем производить инструменты и части вне пределов планеты. Совершив этот прорыв, мы, наконец, сможем перепрыгнуть через собственные головы – сами небеса более не будут ограничивать ареал применения аддитивного производства. Начинается эра внеземного производства».

Как показало время, 3D-принтер от Made In Space нормально отработал в условиях невесомости и открыл перспективы материализации конфигуратора, про который ещё в 1955 году в своём рассказе «Необходимая вещь» Роберт Шекли рассказал, когда двое космонавтов взяли с собой в межзвёздную экспедицию приспособу для создания из набора первичных элементов всего, что им может понадобиться в космосе – от запчастей для корабля до яблочного штруделя на десерт.

Не отстают от американцев и китайцы. Учёные-разработчики Академии наук Китая (КНР) создали первый в стране 3D-принтер для работы в космосе. Он уже прошёл испытания в обстановке нулевой гравитации на одном из полигонов Франции. Испытания проводились во время полётов на самолёте в условиях микрогравитации. В процессе проведённых испытаний было опробовано два способа 3D-печати с пятью различными материалами. Как утверждают китайские разработчики, их 3D-принтер может выполнять работу с большим количеством материалов, чем 3D-принтер The Zero-Gravity, который был послан на Международную космическую станцию.

По словам директора исследовательского центра Чунцинского университета при Китайской академии наук, изучающего и разрабатывающего технологию 3D-печати, Дуаня Сюаньминя, китайский 3D-принтер даст возможность КНР создать свою космическую станцию. «Космический» 3D-принтер станет в ней устройством, помогающим проводить ремонт и поддерживать функционирование станции более эффективно. Применение такого принтера на космической станции очень сократит расходы на её работу и уменьшит зависимость от поставок с Земли.

Помимо межпланетных полётов, совершенствование космических 3D-техно-логий может поспособствовать и земным деяниям. На сегодняшний день это фантастика, потому как дорого, но уже сейчас на волне успехов Илона Макса с его проектом удешевления запусков на орбиту Земли увесистых объектов просматривается вполне реальная возможность создания в космосе производств, которые в принципе невозможны на Земле из-за воздействия гравитации.

А на Земле производители 3D-принтеров в битве за деньги инвесторов и потребителей руководствуются тремя критериями: быстрее, дешевле, точнее.

Быстрее.

В направлении повышения скорости 3D-печати рынок встряхнуло сделанное в 2014 году заявление одного из самых крупных игроков на интересах потребителей по части производства оргтехники – компании «Hewlett-Packard», о создании 3D-принтер серии Multi Jet Fusion, сопровождаемое уверением, что технология, по которой они работают, позволит печатать на порядок быстрее, чем все, что было до них. И понеслось. Признанные лидеры отрасли, такие как 3D Systems и Stratasys, которые уже давно работали над проектами 3D-печати, активизировали свои проекты, чтобы представить на рынок альтернативные конкурентоспособные продукты. За ними подтянулись и все прочие.

Так, компания Desktop Metal разработала 3-D принтер, печатающий из металла, который, по заверениям разработчиков, в разы быстрее и дешевле существующих аналогов. Представители Desktop Metal назвали конкретные цифры: материал для нового принтера будет обходиться в 20 раз дешевле, представленных на рынке, а сам принтер печатает в 100 раз быстрее существующих машин. В результате стоимость производства упадёт в разы, а стоимость продукции, изготавливаемой таким образом – минимум в 10 раз. Благодаря скорости и эффективности этот принтер показывает лучшие результаты, чем экземпляры от NASA и Boeing, и сильно обгоняет принтеры, используемые в различных дизайнерских студиях и компаниях. Инженерный стартап был основан профессорами из МТИ, USA, среди которых Эмануэль Сакс, чьи первые патенты в 3D-печати датируются 1989 годом. Desktop Metal получила инвестиций на 5 млн. долларов от крупных венчурных компаний, среди которых, например, Google Ventures. Для компании важны два направления: она создаёт студийный принтер для быстрой печати металлических прототипов инженерами и 3D-принтер для массовой печати. Согласно описанию технологии, изготовление образцов чуть более сложное, чем в обычных принтерах.

Металлические объекты после печати попадают в ванну со специальным раствором, а после закаливаются при большой температуре. Система проделывает все эти этапы автоматически. Она контролирует время в зависимости от конструкции деталей и исходных материалов. В итоге принтер способен изготавливать 0,008​ кубического метра сложных деталей в час. Чтобы было понятнее – это 8 тысяч металлических кубиков с гранью в 1 см. При такой производительности принтер безопасен: не используются ядовитые металлические порошки, отсутствует лазер, все это делает возможным устанавливать такие принтеры прямо в офисе или даже дома. Обслуживание также упрощено: не требуется специальный персонал или оборудование. В итоге стоимость всей системы с необходимым ПО – 120000 долларов. Сумма кажется большой, но речь идёт о промышленном 3D-принтере, создающим металлические детали любой сложности. Аналогичный по производительности лазерный принтер обойдётся более чем в 10 раз дороже.

В свою очередь Нил Хопкинсон, профессор инженерного производства в Университете Шеффилда, подробно рассказал о том, как его команда работает над новой технологией 3D-печати под названием высокоскоростное спекание (HSS). Новый метод должен сделать возможным быстрое изготовление нескольких деталей с помощью процесса спекания, который сильно отличается от того, который используется сегодня и подразумевает применение лазерных лучей. Принцип работы новой технологии заключается в том, что на порошкообразный материал, который расположен на печатной платформе, с помощью струйного принтера наносится технический углерод. Затем над платформой проходит инфракрасная лампа, под светом которой спекаются только участки, покрытые углеродом. Таким образом, целый слой объекта может отвердеть за несколько секунд. По словам Нила Хопкинсона, итоговая технология может быть в 10-100 раз быстрее, чем все остальные по части 3D-печати, а команда исследователей работает с несколькими партнёрами над лицензированием технологии. Одна из компаний-партнёров Voxeljet уже планирует использовать этот метод в своих новых устройствах. Несмотря на то, что Хопкинсон не назвал других компаний, он отметил, что заинтересованных очень много. Сама по себе технология обладает достаточным потенциалом, чтобы произвести революцию в массовом производстве, поскольку она позволит компаниям изготавливать продукцию в крупных масштабах, в то же время имея возможность быстро изменить функционал устройства без необходимости дополнительной обработки.

Не придавая свою деятельность огласке, технологиями 3D-печати активно занимается стартап Carbon3D – частная компания из Калифорнии, основанная в 2013 году. С момента своего создания Carbon3D занималась разработками инновационного метода 3D-печати, способного совершить революцию в этой сфере. Новую технологию назвали CLIP (Continuous Liquid Interface Production). Компания привлекла более $50 миллионов инвестиций и, между делом, сумела произвести фурор среди широкой публики, представив пару коротких видеороликов, показывающих в действии технологию CLIP. Принцип действия технологию CLIP заключается в использовании света и кислорода для отверждения светочувствительной смолы. По описанию метод схож с привычной и широко известной стереолитографией (SLA), где для отверждения светочувствительной смолы применяется лазер или прожектор, однако новая технология имеет ряд существенных отличий.

В частности, с помощью традиционных технологий 3D-печати, в том числе и стереолитографии, объекты печатаются слой за слоем, что значительно сокращает скорость производства и приводит к созданию хрупких предметов, похожих по своей структуре на сланец. В технологии от Carbon3D для отверждения смолы используется свет, а в качестве подавляющего агента – кислород. Таким образом, объекты действительно сразу печатаются в трехмерном виде.

«Имеющиеся на сегодняшний день технологии 3D-печати не сумели произвести революцию в сфере производства, несмотря на обещания разработчиков и ожидания рынка, – говорит доктор Джозеф ДеСимон, глава и один из основателей компании Carbon3D. – Разработанная нами технология CLIP поднимает планку, позволяя значительно быстрее печатать объекты, обладающие необходимыми механическими свойствами. Кроме того, при 3D-печати по методу CLIP можно использовать материалы, требуемые для производства высококачественных деталей в коммерческих целях».

С применением кислорода в процессе 3D-печати традиционно механическая технология внезапно превращается в фотохимический процесс, позволяющий тонкую настройку. Среди несомненных преимуществ новой технологии – более быстрое изготовление объектов и отсутствие эффекта расслоения. Тем самым, CLIP имеет все шансы вывести 3D-печать на новый уровень. В этом методе применяется специальное прозрачное стекло, проницаемое как для света, так и для кислорода – вроде большой контактной линзы. Устройство способно точно регулировать необходимое количество кислорода и момент его подачи в ёмкость со смолой. Кислород, в свою очередь, используется как подавляющий агент, предотвращающий отвердевание смолы в определённых местах. Таким образом, с помощью света отвердевают все участки, не подверженные обработке кислородом, который создаёт своего рода «мёртвую зону». Внутри смолы кислород заполняет участки толщиной в десятки микрон, в которых фотополимеризация буквально становится невозможной. Затем устройство делает несколько снимков в разрезе с использованием ультрафиолетовых лучей – примерно так же, как происходит показ кино.

Услышав эту новость, трудно избавиться от очевидной мысли – «Эта компания, наверняка, ненастоящая. Как может быть, что кто-то создал революционную технологию подобного рода, но сведения об этом так и не просочились в СМИ?» Развеять сомнения помогает информация о том, что Carbon3D заключила договор о сотрудничестве с Sequoia Capital, одним из старейших и наиболее успешных венчурных фондов в мире, получив финансирование для первой стадии. Средства для второй стадии были предоставлены Silver Lake Kraftwerk.

«Если сфера 3D-печати хочет выйти за рамки ниши создания прототипов, которую она занимает уже десятки лет, то необходимо разработать совершенно новую технологию. Нужно взглянуть на проблему иначе, используя подход, который позволит избавиться от основных недостатков 3D-печати, – говорит Джим Гетц, член совета директоров Carbon3D и партнёр компании Sequoia. – Когда мы встретились с Джо и увидели, что удалось изобрести его команде, нам сразу же стало ясно, что 3D-печать уже не будет прежней».

Другой американский стартап – компания Markforged из Бостона – представил свою технологию 3D-печати на основе углеродного волокна, заявив, что этот способ является одним из самых экономичных и быстрых способов изготовления деталей. Статап привлёк инвестиции в размере 30 миллионов долларов. В числе акционеров значатся Siemens, Microsoft Ventures, Porsche SE и ряд других крупных компаний. Ранее Markforged представил 3D-принтеры для металической 3D-печати, стоимостью в 100 тысяч долларов, использующие ту же скоростную технологию печати. Отличие новых аппаратов заключается в том, что детали из углеродного волокна во многом не будут уступать металлическим, а в ряде случаев смогут их полностью заменить, при этом скорость печати по сравнению с обычными 3D-принтерами возрастёт до 50 раз, сообщил представитель компании-производителя.

«Мы стремимся сделать 3D-печать не просто новым и модным веянием, а хотим дать людям возможность создавать любые предметы почти мгновенно, как это делает репликатор из Стар Трека. Нынешние технологии 3D-печати не могут удовлетворить все потребности человека: они медленно печатают, долго соображают, а конечный результат зачастую дорог и далёк от идеала. Мы хотим это изменить», – заявил генеральный директор Markforged Грег Марк.

Полученные от инвесторов деньги компания планирует пустить на разработку устройств, способных сделать 3D-печать максимально простым и эффективным процессом, который в конечном итоге может оказаться полезен тем же Porsche и Siemens.

Дешевле.

Исследователи из Ливерморской национальной лаборатории стали первыми, кто смог распечатать на 3D-принтере композитный материал на основе угольных нитей. Этот способ производства может сделать процесс создания материала дешевле и открыть новые возможности для использования углеродного волокна. Углеродное волокно представляет собой лёгкий, но жёсткий и прочный материал с высокой стойкостью к температуре. Это делает его актуальным для аэрокосмической, оборонной и автомобильной промышленности, а также для таких видов спорта, как сёрфинг и гонки на мотоциклах. 3D-печать открывает новые возможности для использования углеродного волокна. Полученный материал может быть использован для изготовления крыльев самолёта, элементов спутника или терморегулирующейся одежды.

Учёные из Массачусетского технологического института успешно испытали первый ракетный двигатель, изготовленный из пластмассового корпуса, который полностью напечатан на 3D-принтере. Для печати исследователи использовали нейлоновый материал с микроуглеродистыми волокнами, которые обеспечили двигателю дополнительную прочность и термостойкость. Во время первого испытания такой двигатель смог достичь сверхзвуковой скорости, отделавшись лишь незначительными повреждениями. Отмечается, что корпус двигателя разработан только для одноразового использования, однако учёные решили повторно протестировать свою разработку. Инженеры использовали более мощное ракетное топливо, из-за которого сопло расплавилось. Специалисты уже начали совершенствовать разработку, чтобы сделать пластиковый двигатель более надёжным. В будущем учёные планируют создать пластиковый летательный аппарат. Отмечается, что принтеры, печатающие ракетные двигатели из металла стоят дорого, их ценник начинается с шестизначных цифр. Такие принтеры уже использовали SpaceX и NASA. Принтер Массачуссетского технологического института «Markforged Mark Two» стоит гораздо дешевле – 13,5 тысяч долларов. Это даёт возможность специалистам с ограниченным бюджетом создать ракетные двигатели. Кроме того, инженеры отметили, что разработка будет пользоваться спросом среди космических агентств, которые создают одноразовые ракеты.

Компания Stratasys по заказу немецкого аэрокосмического агентства распечатала прототип робота, который будет исследовать Марс. Робот TransRoPorter разработан немецким аэрокосмическим агентством. Однако вместо строительства классического металлического прототипа, инженеры попросили Stratasys распечатать его на своём огромном 3D-принтере Fortus 900mc. «Обычный прототип – это слишком дорого, – говорит разработчик робота доктор Кай Фюрер, – а 3D-принтер позволяет снизить расходы в несколько раз». TransRoPorter состоит из движущейся платформы и модуля Payload для исследований. Все части, включая электронику, были воспроизведены на 3D-принтере. Для того, чтобы прототип выдержал испытания условиями, близкими к марсианским, Stratasys использовала для печати сверхпрочный термопластик ASA.

Как сообщила фирма Tiko 3D, 3D-принтер обещает стоить не более холодильника. Разработчики задались целью тщательно проработать и максимально удешевить каждый элемент устройства, чтобы в итоге получить продукт, который легко произвести и использовать даже в домашних условиях и поддерживать в работающем состоянии долгое время. Получившийся принтер для аддитивной печати они обещают продавать всего за $179. Главное достижение конструкции нового 3D-принтера TIKO – это его цельный корпус. Обычно это одна из самых дорогих деталей. Для обеспечения высокой точности печати трёхмерные принтеры оборудованы скреплёнными вместе отдельными направляющими, которые обеспечивают движение печатающей головки. Их положение необходимо тонко отрегулировать перед началом использования принтера и постоянно проводить корректировку. На это затрачивается довольно много времени, что неминуемо ведёт к издержкам и увеличению стоимости. Корпус TIKO имеет рельсы с внутренней стороны, в которые встроены уже предварительно отрегулированные алюминиевые направляющие. Такая конструкция делает их практически единым целым. В итоге в процессе печати возможность смещения сопла головки практически исключена, что позволяет печатать с точностью до 50 микрон при отсутствии каких-либо дорогих сверхточных компонентов. Важным своим достижением инженеры считают треугольную форму корпуса принтера (его ещё называют дельта-принтером), который оснащён тремя наборами держателей для печатающей головки. Кроме этого часть устройства, где происходит печать, полностью защищена от внешних факторов, таких как ветер или любые другие движения воздуха. Принтер также оборудован внутренним акселерометром и автоматически отключается, если его что-то побеспокоило, например, дети. Принтер TIKO оснащён расплавляющим печатный материал перед нанесением ожижителем, который не требует активного наружного охлаждения. То есть в конструкции устройства отсутствуют дорого-стоящие шумные вентиляторы, которые заменены системой вентиляционных отверстий. Ещё одна приятная особенность TIKO – это его гибкая подложка со специальным покрытием, с которой легко снять готовое изделие. В качестве «чернил» в TIKO может быть использована нить из полилактида, АБС-пластика, нейлона или высокопрочного полистирола. Загрузить катушку с материалом так же просто, как поменять картридж в обычном лазерном принтере – достаточно просто открыть крышку. Размеры нового дельта-принтера составляют всего 390 на 221 на 237 миллиметров, а его вес – всего 1,7 кг, без учёта катушки с нитью. Общий объём области, где происходит печать – 2,27 литра.

Точнее.

Калифорнийская компания Microfabrica разработала технологический процесс, сочетающий в себе трёхмерную печать, при которой структуры формируются путём послойного нанесения материала, с технологиями, используемыми в производстве микросхем, где ионы металла наносятся на поверхность электролитическим методом. Этот процесс позволяет создавать изделия тончайшей структуры из слоёв металлов толщиной всего в 5 мкм. Существующие многоструйные 3D-принтеры, распыляющие пластики через сопла, позволяют получать слои толщиной 16 мкм. При этом проблема создания деталей микроскопических размеров становится всё острее по мере развития технологий: вся продукция, начиная от потребительской электроники до медицинской аппаратуры, продолжает уменьшаться в размерах. Новый метод открывает возможности создания новых типов устройств и миниатюризации существующих. В частности, по инициативе DARPA компания Microfabrica создала крошечный радиатор для охлаждения компьютерных микросхем и миниатюрный часовой механизм для боеприпасов. Кроме того, она разработала миниатюрные хирургические инструменты, в частности, щипцы диаметром меньше миллиметра для биопсии и трёхмерные подложки для скаффолд-технологии, связи которых позволяют им растягиваться по мере размножения клеток.

«Мне не известны какие-либо 3D-принтеры с более широкими возможностями», – сказал Кэрол Ливермор, профессор механики и промышленной техники из Северо-Западного университета. Эта разработка стала новым шагом на пути к общедоступности современных технологий, с одной стороны, и, с другой, к переходу промышленности к новой идеологии конкуренции, которой уже давно придерживаются производители компьютерной техники – заботиться больше о том, чтобы опережать конкурентов, нежели о защите все быстрее устаревающих разработок».

Несколько ранее американские физики и инженеры из университета Вайсса разработали технологию трёхмерной печати литиевых элементов питания. Размер полученных батарей составлял около миллиметра, а главной сферой применения разработчики называли вживляемые устройства. При этом подчёркивалось, что электроды новой батареи получаются тоньше человеческого волоса, в то время как процесс печати полностью автоматизирован и использует уже существующие модели трёхмерных принтеров. Основной проблемой, которую пришлось разрешить учёным, являлся подбор «чернил», материала, используемого принтером. Исследователям удалось подобрать вещество, которое сочетает высокую электрическую проводимость со способностью мгновенно затвердевать при контакте с воздухом и сохраняться жидким внутри принтера. Кроме того, разработчикам печатной микробатареи пришлось подобрать состав, содержащий оксид лития. После того, как принтер сформировал электроды и добавил оксид лития в виде наночастиц, батарея закрывалась корпусом и заливалась электролитом. Все изделие в сборе сопоставимо по размеру с песчинкой. Это позволяет обеспечить долговременную работу вживляемым приборам для мониторинга крови и других параметров в организме пациента.

Цифровые технологии уже широко применяются в производстве ювелирных изделий, бижутерии и аксессуаров. Трёхмерное моделирование позволяет создать точный цифровой макет будущего изделия и распечатать сначала прототип, дающий мастеру возможность подержать в руках и доработать изделие заранее. После этого, печатается или фрезеруется модель из выплавляемого или выжигаемого воска/фотополимера, которая заливается гипсом для получения литьевой формы и выгорает (выплавляется) в процессе заливки, позволяя металлу заполнить форму и точно повторить малейшие нюансы будущего изделия. Кроме того, уже есть 3D-принтеры печатающие непосредственно драгметаллами, но пока цена порошка для таких машин слишком высока для постоянного применения.

Исследовательская группа Mediated Matter разработала высокоточный метод 3D-печати прозрачного стекла. Технологию под названием G3DP создавали при участии специалистов Массачусетского технологического университета (MIT) и Гарвардского института Висса. В качестве исходного сырья для печати используется готовое стекло. Его расплавляют в камере, температура внутри которой превышает 1000 градусов. Затем стекло укладывают слоями, чтобы сформировать изделие. Конструкция позволяет располагать слои с высокой точностью – максимальное отклонение составило 0,44 миллиметра.

Быстрее, дешевле, точнее – нынешний тренд создателей и производителей 3D-принтеров, но с большой долей вероятности можно утверждать, что будущее за теми, кто выйдет на рынок с необычными возможностями своих устройств. Креатив проявит в решении выхода на потребителя.

Например, с производством еды при задействовании 3D-принтера. И работы в этом направлении уже ведутся.

Одним из первых прототип подобного устройства представил американский инженер Аньян Контрэктор из компании Systems & Materials Research Corporation. Вскоре на его разработку обратили внимание в NASA и выдали грант на дальнейшие исследования. Еду принтер создаёт из нескольких питательных компонентов, содержащихся в специальных картриджах. Их срок годности — не менее 30 дней, что решает проблему со скоропортящейся едой.

Продолжением темы «печати» еды с помощью 3D-принтера является разработка Массачусетского технологического института, которая обещает американским солдатам таким необычным способом готовить обед прямо на поле боя. Кроме того, технологию планируют внедрить и в целях экономии. «Она позволяет сократить расходы на обеспечение войск продуктами питания в районе операционных действий и расширить ассортимент блюд, входящих в солдатский паек», — заявил специалист в области военной логистики армии США Лорен Олексик. Разработчики собираются учитывать вкусы военных, тем более, что по части ингредиентов в составе еды из принтера ограничений нет. Оператор сможет занести в компьютер любой состав будущего блюда, и устройство его распечатает. «3D-принтер способен производить пищу с заданными параметрами. Они включают количество калорий, протеина, углеводов и витаминов», — добавил специалист в области военной логистики армии США.

Ещё один проект, занимающийся разработками напечатанной на 3D-принтере еды – нью-йоркская компания Modern Meadow. Ее специалисты сосредоточились на создании кожи и мяса и в 2014 году получили грант в размере $10 млн. «Настоящий 3D-печатный стейк – это почти фантастика на сегодняшний день, – отметил глава фирмы Андраш Форгэкс. «Конечно, это будет не первый наш продукт, потому что создать стейк – дело очень сложное. Первой волной мясных продуктов, созданных таким методом, скорее всего, станут полуфабрикаты из рубленого мяса и паштеты».

В Израиле учёные создали 3D-принтер, печатающий еду из наноцеллюлозы. Его изобрели Идо Браславски и Одеда Шосейова. Их новое устройство сможет превращать наноцеллюлозу в необходимые человеку полезные компоненты. Это сырье было выбрано потому, что в нём практически не содержится калорий. Помимо того, ферменты, находящиеся в пищеварительном тракте, легко его переваривают. Наноцеллюлоза будет смешиваться в специальных картриджах с такими веществами, как жиры, белки, углеводы, витамины и антиоксиданты. После дополнительной обработки лазером, приготовленное блюдо станет иметь вид традиционного яства. Специалисты полагают, проект принтера, печатающего еду в формате 3D, может стать коммерческим. В частности, они рассчитывают, что им заинтересуются рестораны FastFood. Помимо того, изобретатели считают, что данное устройство сможет выступить в качестве настоящей находки для людей, внимательно соблюдающих свой рацион питания. Это касается не только диабетиков или вегетарианцев, но также и спортсменов.

Стоит отметить, что уже существует несколько серийно выпускаемых, и достаточно популярных при этом, пищевых 3D-принтеров. Одни из них печатают конфеты любой заданной формы из специального состава. Такие аппараты, кроме расходного материала, почти ничем не отличаются от обычных 3D-принтеров. Есть и более специализированные. Например, английский Choc Creator печатает шоколадом как плоские картины для оформления тортов, так и объёмные объекты. Конструкция позволяет загрузить в него несколько различных ингредиентов и получать на выходе разнообразные блюда. Есть и специальный принтер для блинов, создающий блинчики и оладьи любой заданной формы. Он, кстати, и стоит относительно недорого, и в обращении прост.

В общем, технология создания пищевых 3D-принтеров совершенствуется. Можно предположить, что в ближайшем будущем появятся недорогие и общедоступные кухонные 3D-принтеры, как специализированные, так и универсальные, совмещённые с кухонным комбайном и духовкой, где на входе – ингредиенты, а на выходе готовое блюдо. Ожидается, что интерес «к печати еды» будет повышен в свете проектов будущего – межпланетным перелётам и создания баз на Луне и Марсе, к чему человечество идёт, и где никак не обойтись без «конфигуратора» Роберта Шекли, который в том числе и еду б готовил по принципу нынешней 3D-печати.

Из других нестандартных применений 3D-печати можно выделить работы компании NVIDIA, которая продемонстрировала свой новый продукт из области искусственного интеллекта (ИИ), способный создавать трёхмерные графические изображения. Сравнив работы искусственного интеллекта и настоящих 3D-худож-ников, специалисты пришли к выводу, что программа справляется с задачами не хуже людей. Это означает, что ИИ сможет существенно упростить людям жизнь, к примеру, взяв на себя прорисовку лиц персонажей из видеоигр, ведь ИИHolodeck от NVIDIA тратит на создание трёхмерной модели лица человека примерно столько же времени, сколько на это обычно уходит у профессионального художника. Сейчас, чтобы нарисовать реалистичное лицо с правдоподобной анимацией, человеку требуется потратить сотни часов. Пока ИИ Holodeck тратит столько же времени, но он очень быстро учится, поэтому вскоре он сможет помочь сэкономить людям до 80% времени, создав при этом правдоподобные модели лиц.

«Мы хотим изменить мир компьютерной графики, привнеся в него искусственный интеллект. Сейчас мы занимаемся созданием программы, способной взять на себя полный цикл создания 3D-графики. После того, как мы достигнем необходимого уровня, приступим к выпуску комплектов ПО для разработчиков», – заявил Грэг Эстес, вице-президент отдела маркетинга и разработки NVIDIA. Помимо ИИ, занимающегося 3D-анимацией, в NVIDIA создают и другие программы, умеющие обрабатывать изображения, делая их более реалистичными. Компания делает большие ставки на программы искусственного интеллекта.

Если NVIDIA пойдёт дальше – скооперирует искусственный интеллект для 3D-графики с 3D-печатью и роботизацией, то вполне возможно в будущем ожидать такого правдоподобия в играх, про которое сейчас даже думать не хочется. Не потому, что это невозможно в принципе, а потому, что сейчас сложно представить, как это отразится на реальной жизни – станет ли благом или обернётся обратной стороной, куда лучше не заглядывать, чтоб на себя не вытащить. Но это уже из области страшилок, которыми нас пугают луддиты XXI века.

Про луддитов XXI века в следующих главах книги, а здесь, возвращаясь к креативу в 3D-печати, стоит заметить, что нестандартность подхода к 3D-технологиям может проявляться и в стандартных процессах. В тех же технологиях создания новых материалов. Но не методам тыка – сначала получил, что-то необычное и думу думаешь, куда б пристроить, а через целенаправленный поиск, когда задаются параметры, и в их направлении создаётся новый материал.

По этому пути идут исследователи из Университета науки и технологии Миссури, разрабатывающие способ использовать технологию 3D-печати для того, чтобы создавать новые металлические материалы, которые будут прочнее и легче, чем существующие. Процесс изготовления таких металлов дополнительно включает моделирование производственного процесса, создание сети датчиков и бесшовную технологию изготовления. Металлические материалы, созданные учёными, представляют собой структурные аморфные металлы. Они созданы с помощью лазера, расплавляющего металлический порошок, который затем осаждается слой за слоем для получения 3D-печатного объекта. Исследователи работают над поиском необходимой скорости охлаждения, чтобы металлические материалы получались аморфными, а не с обыкновенной кристаллической структурой. Привлекательность аморфных металлов заключается в их структуре. То есть материал, будучи составлен из крошечных фрагментов, как песчинки, получается прочнее и более устойчивым к трещинам, чем обычные металлы с регулярной структурой. В то время как обычные металлы, как правило, разрушаются вдоль линий своей структуры, в аморфных металлах таких линий нет. Есть надежда, что можно будет создать новые материалы в 10 раз прочнее обычных металлов, при этом снизится количество вещества, необходимое для производства объекта, вес изделия, а также затраты на производство.

С металлом в 3D-печати работает и доктор Кристофер Уильямс, доцент факультета машиностроения Политехнического университета Вирджинии. Он занимается созданием 3D-принтера, который печатает медью. Хотя в 3D-печати металлом нет ничего нового (некоторые компании уже вовсю применяют технологии прямого лазерного спекания металлов и электронно-лучевой плавки), доктору Уильямсу и его команде удалось собрать абсолютно новый тип 3D-принтера, ведь до них с медью мало кто отваживался работать.

«Нам удалось собрать совершенно уникальный 3D-принтер, – объясняет Кристофер Уильямс. – С медью крайне сложно работать. Однако мы открыли метод разбрызгивания связующего вещества, при котором печатающая головка выборочно вводит клей в медный порошок, и так слой за слоем. Потом мы помещаем изделие в печь, чтобы частицы порошка сплавились и спеклись между собой. Таким образом можно изготовить медное изделие даже самой сложной формы».

Хотя этот процесс кажется достаточно перспективным, есть ещё пара задач, которые доктору Уильямсу и его команде предстоит решить. Главная сложность заключается в том, что после сплавления медных частиц в печи между ними остаются крошечные воздушные пространства. В результате детали получаются гораздо более хрупкими, чем изготовленные традиционными методами, например, путём обработки и шлифовки медных слитков. Исследователи подбирают состав наносуспензии, которая заполнит промежутки между частицами порошка, свяжет их между собой и повысит плотность изделия. Для изготовления такой наносуспензии исследователи решили добавить в клей наночастицы, которые и заполнят промежутки в медном порошке во время спекания. Хотя можно пойти и в обратную сторону – создать пеномедь, увеличив размеры пузырьков в материале, что придаст ему лёгкость. Но тут уже придётся думать: «А кому этот материал станет нужным?». Вполне возможно, что нанопористые структуры в современном ювелирном деле окажутся интересны, только вместо меди золото и прочие драгметаллы в 3D-принтер грузить надо.

А пока что в направлении внедрения 3D-принтеров в ювелирное дело компания Cooksongold совместно с EOS создали принтер для 3D-печати из драгоценных металлов. Cooksongold разработала порошки из золота (розовое, желтое, белое) и с помощью принтера M080 изготавливает драгоценные изделия сложных форм, которые не под силу традиционному литью. При этом, 99 % неиспользуемого порошка вторично используется в производстве. Представитель компании Давид Флетчер рассказал о возможностях принтера по печати ювелирных изделий: отсутствие ограничений на дизайн; сложные формы, недоступные при традиционном литье; тонкие стенки изделий; лёгкий вес, полые изделия; изготовление неразъёмных соединений; короткое время производства – от 4 часов плюс 1,5-2 часа на обработку.

По части получения готовых изделий с применением 3D-принтеров большим шагом вперёд явятся технологии одновременной работы с несколькими материалами с различными свойствами. Как, например, технология трёхмерной печати, разработанная учёными Гарвардского университета, которая позволяет одновременно смешивать и наносить различные концентрированные вязкие материалы. Разработка позволит печатать мягких роботов с интегрированными токопроводящими элементами. Исследователи создали для 3D-принтера новую печатающую головку, к которой по трубкам могут подводиться несколько жидкостей с разной вязкостью. Сопло такой печатающей головки инженеры оснастили импеллером – быстро вращающейся во время печати трубкой с продольными прорезями, которая отвечает за активное смешивание жидкостей. Эта технология уже была апробирована на нескольких материалах. В частности, новая печатающая головка использовалась для нанесения силоксанового каучука и специальных чернил с различной токопроводящей способностью. Кроме того, для печати использовалась и эпоксидная смола с отвердителем. Сегодня уже существуют 3D-принтеры, позволяющие одновременно наносить гетерогенные жидкости разной вязкости, однако в них используется пассивное смешивание материалов. Из-за этого перемешивание получается неоднородными, и точность печати значительно снижается при применении вязких гелей.

В промышленном использовании 3D-принтеров новые перспективы открывают технологии одновременной работы 3D-печати с дискретными элементами создаваемого изделия. Тут можно выделить разработчиков из Принстонского университета, которые представили новый метод сложной 3D-печати. Учёные создали контактные линзы, соединяющие в себе полимеры и настоящие микроскопические светодиоды. Такие линзы буквально излучают свет, однако они совершенно непригодны для ношения на глазах. «Мы создали уникальное устройство, не рассчитывая, что ему найдётся практическое применение. Наши линзы не стоит надевать на глаза, хотя бы потому, что они имеют внешний источник питания», – рассказывает ведущий автор исследования Майкл Макальпин. Новые линзы являются наглядной демонстрацией возможности создания на 3D-принтере интегрированных объектов из сложной электроники, встроенной в различные материалы. «Данная работа показывает, что современные методики и технологии позволяют печатать на 3D-принтере сложную электронику, включая полупроводники», – поясняет Майкл Макальпин. Сами контактные линзы состоят из жёсткого пластика. Исследователи использовали особые нанокристаллы (квантовые точки) для создания светодиодов, способных генерировать свет с нужной длиной волны. Изменяя размеры квантовых точек, материаловеды могут варьировать цвет излучаемого света. «Если говорить о 3D-печати буквально, то квантовые точки у нас выступили в роли чернил. В результате нескольких экспериментов мы смогли получить два цвета испускаемых лучей – зелёный и оранжевый», – говорит ведущий автор исследования. Аддитивное производство, оно же 3D-печать, по словам инженеров, может стать решением проблемы по созданию устройств из сложно комбинируемых материалов. Новое исследование является попыткой объединить электронику с пластиком, что при других условиях производства было бы сделать труднее. Удобство же 3D-принтеров в том, что они позволяют создавать как горизонтальные, так и вертикальные структуры в электронике, тогда как любой другой метод производства предполагает конструирование лишь горизонтальных структур на плоскости с последующим наслаиванием.

Ещё одна работа в области сложной 3D-печати ведётся компанией Rohinni из штата Айдахо, США. Её инженеры создали 3D-печатную светящуюся бумагу. Разработка получила название Lightpaper («Светобумага»). Фактически, это тонкие листы светодиодных массивов, которые могут быть согнуты в различные формы или использованы для покрытия различных поверхностей. Light paper создаётся за счёт смешивания крошечных светодиодов с «чернилами», служащими в качестве субстрата. Затем, полученная смесь наносится на токопроводящий слой. «Начинка» запечатывается между двумя прозрачными защитными слоями. При этом размер светодиодов сопоставим с размером эритроцитов. Получаемая «светящаяся бумага» даже тоньше, чем органические светодиоды, применяемые в производстве OLED-дисплеев. Для чего можно применять такие устройства? Хотя бы для подсветки автомобильных логотипов, в качестве светящихся обоев или наклеиваемых светильников. Согласно Нику Смуту, главному маркетологу Rohinni, компания намеревается сделать технологию печати Lightpaper доступной для любителей. Если старания компании увенчаются успехом, то в скором времени мы сможем украшать светящимся материалом корпуса наших телефонов, переделывать стены спален в ночные светильники, мастерить светящиеся циферблаты часов – как повелит фантазия. «Lightpaper – световая технологическая платформа, о полном потенциале которой даже мы можем только догадываться», – рассказывает Ник Смут.

Другая стезя 3D-печати – изготовление приборов для научных исследований. Здесь пока что поле непаханое, но первые шаги сделаны. Учёные Калифорнийского Университета в Лос-Анджелесе напечатали на 3D-принтере специальный прибор – электронный микроскоп, который подключается к смартфону и способен заменить обыкновенный дорогостоящий электронный микроскоп для рассматривания структур ДНК. «Напечатанный» микроскоп работает в связке со смартфоном под управлением операционной системы Windows Phone. Точность измерения пока не превышает 10000 структур. Но это не предел. В будущем учёные планируют значительно увеличить этот показатель в несколько раз. Подобный гаджет обязательно буден востребован в странах с низкими уровнями дохода населения, где люди не имеют доступа к дорогостоящим генным исследованиям. Все, что нужно для подобных измерений: смартфон, программное обеспечение и сырье для 3D-принтера.

Ну и опять про то же – органические 3D-принтеры. Исследователи из Оксфорда сообщили, что им удалось успешно напечатать трёхмерную конструкцию из живых клеток. Этот эксперимент открывает дорогу к созданию универсальной платформы для 3D-печати живых тканей, с перспективой воссоздания синтетического аналога любого участка человеческого тела. 3D-принтер для живых тканей функционирует идентично устройствам для работы с полимерами, но сами печатные схемы совершенно иные. Необходимо учитывать, что готовое изделие не будет стабильно, оно должно жить, разрастаться, в нем будут протекать различные биологические процессы. В противном случае результат будет представлять собой бесполезный клочок синтетической плоти. Проблема работы с живыми клетками в том, что они имеют тенденцию к смещению во время печати и обладают склонностью к спонтанному суициду. Чтобы этого не происходило, оксфордские учёные решили оборачивать каждую клетку перед 3D-печатью в персональное липидное покрытие. Получается своего рода «кирпичик» – очень удобный элемент для составления различных конструкций. Технология печати фрагмента тела или целого органа на основе ДНК конкретного человека открывает перед учёными новые биомедицинские возможности. Так, его можно проверить на совместимость с аллергенами, лекарствами, реакцию на токсины, облучение или малоизученные вещества, не подвергая риску самого пациента. В перспективе же 3D-печать живых тканей может стать новой отраслью регенеративной медицины.

А вот китайские физики решили использовать 3D-принтеры по-простому, без заумных прибабахов, но с коммерческой живинкой. Они обратили внимание на полимеры, по разному реагирующие на свет – некоторые из них твердеют при воздействии света, другие распадаются или усыхают – для своеобразной «3D-печати» с помощью проектора и компьютера с программой Power Point. Полимерный материал, реагирующий на свет, помещают в специальную ёмкость, проецируют на неё слайд, подсвечивая его с разной интенсивностью, что позволяет полимеру принимать необходимую форму прямо внутри ёмкости. От продолжительности подсвечивания и яркости зависит толщина конкретного участка и его гибкость. Подготовив определённые слайды, можно создать фигуру практически любой сложности. Полимер, который использовали китайские исследователи, гнётся только при очень небольшой толщине, поэтому, с его помощью получается создать только небольшие оригами, чей размер не превышает пары сантиметров. «Тем не менее, это уже неплохой задел на будущее – любой человек, имеющий дома проектор и Power Point может заняться чем-то подобным», – говорит физик Дайнин Фан из университета Пекина. Сейчас учёные продолжают экспериментировать с другими видами полимеров, стараясь сделать что-нибудь побольше и попрочнее.

Ну, уж и совсем незамысловато про 3D-печать, что на рынок само просится, остаётся только вопрос цены. Компания Artec Group, запустила свой сервис Shapify, позволяющий любому желающими мгновенно сделать свой 3D-скан и через некоторое время получить свою миниатюрную копию в цвете. Artec собрали большую будку с освещением и сканерами по кругу, с помощью которой делается 3D-скан человека. Shapify не единственное решение со своей 3D-будкой, однако, оно самое удачное с точки зрения облачной инфраструктуры, поддержки расчёта и фиксации моделей, что существенно облегчает жизнь тем, кто хочет сделать бизнес на этом. Само решение продаётся под ключ, единственно, что ему не хватает – получения на месте результатов сканирования в виде трёхмерной статуи клиента. Тут уже всё зависит от качественного 3D-принтера к 3D-будке подключённого. Всё может быть изготовлено дистанционно, главное, чтобы клиент качеством своей 3D-модели остался доволен и цена его устроила.

3D-печать идеальна для создания всевозможных полезных мелочей для дома. Если раньше трёхмерное моделирование представляло собой исключительно трудоёмкий процесс, то сегодня любой, даже самый простой настольный 3D-принтер способен напечатать трёхмерную модель с разрешением в 100 микрон. Роль человеческого фактора при этом сводится к минимуму, а изготовленный предмет будет в точности соответствовать своей компьютерной модели. Особенно хороша 3-D печать для изготовления запчастей к сломавшейся бытовой технике, фурнитуры для мебели, дизайна жилища. Можно создать с нуля игрушку для ребёнка или скачать 3D-модель из интернета и придать ей уникальности в программе-редакторе. При этом, такая игрушка по себестоимости будет дешевле покупной и гораздо интереснее для ребёнка, поскольку он будет вовлечён в процесс её создания. Покупая домой такой инструмент как 3D-принтер, родители могут печатать несколько разных игрушек в день: от простых до самых сложных и развивающих – для бесплатного скачивания уже доступны тысячи моделей. Постоянно разрабатываются всё новые и новые материалы для трёхмерной печати, обладающие всевозможными механическими и эстетическими свойствами, а 3D-принтеры и расходные материалы к ним постоянно дешевеют. Через несколько лет такой аппарат может стать неотъемлемой частью почти каждого жилища, как сейчас – телевизор. И неудивительно – полезность этого устройства в быту сложно переоценить. 3D-принтеры в каждый дом – это уже действительно будет умопомрачительный рывок в стремлении удовлетворить растущие потребности потребителей, переход на вышестоящий виток развития цивилизованного мира.

Рынок аппаратов для 3D-печати и сканирования постоянно растёт, а вместе с ним увеличивается разнообразие представленных моделей и материалов для печати, повышается качество работы 3D-принтеров, скорость печати и разрешение, диапазон применимых материалов и размеры рабочих областей. Цены же становятся всё ниже. С состоянием дел в области 3D-печати на конец 2017 года можно было ознакомиться на выставки аддитивных технологий Formnext 2017, которая прошла во Франкфурте-на-Майне в ноябре 2017 года. В частности там были представлены:

— 3D-принтеры для печати по технологии FDM (Fused Deposition Modeling), принцип работы которых основан на послойном выращивании изделия из предварительно расплавленной пластиковой нити. Аппараты для печати расплавленными пластмассами были представлены моделями компаний INTAMSYS, ROBOZE, VSHAPER, 3DGENCE, APIUM. Эти принтеры печатают обширным спектром материалов, включая композитные пластики с наполнением карбоном и металлом, стеклопластик, все традиционные материалы для FDM и высокотемпературные промышленные материалы, которые используются для изготовления функциональных деталей в прототипах устройств или в мелкосерийном производстве сложных деталей. Механические и химические характеристики изделий, получаемых с помощью 3D-принтеров по технологии FDM позволяют им в некоторых узлах вполне успешно соперничать с металлом.

— Оборудование для 3D-печати металлом по принципу, аналогичному FDM-печати пластиком с последующим запеканием, выставили такие производители, как AIM3D, APIUM, GEWO 3D. Эти аппараты печатают материалом состоящим из частиц металла и связующего вещества. После запекания получается изделие с монолитной металлической структурой. На выставке также было представлено большое количество 3D-принтеров для прямой печати металлом по другим технологиям. В их числе – Orlas Creator и Aurora LABS S-Titanium Pro.

Аппарат Orlas Creator сплавляет металлический порошок в атмосфере аргона или азота 250-ваттным оптоволоконным лазером и обещает производительность на 30% выше, чем у аналогов других производителей. Размер создаваемых деталей вписывается в куб с ребром 110 мм, а диаметр луча составляет всего 40 нм, что позволяет создавать гладкие и точные поверхности.

Аппарат S-Titanium Pro компании Aurora Labs, который может печатать металлические детали в аргоновой атмосфере размером до 200×200×500 мм и весом до 150 кг, снабжён двумя лазерами по 150 Ватт, разрешение печати – 100 нм по XY и 25 нм по Z. Получаемые поверхности не такие гладкие, как в Orlas, но объем камеры построения и увеличенная мощность дают свои преимущества. Аппарат способен как спекать (DMLS), так и сплавлять (DMLM) металлический порошок, а также работать по третьей технологии — DED (Direct Energy Deposition), что позволяет печатать деталь из трёх различных материалов, в числе которых несколько сортов нержавеющей стали, титан, конструкционные сплавы.

Компания Desktop Metal представила систему для массового производства сложных металлических деталей. Фирма утверждает, что её аппараты способны создавать сложные металлические детали в 100 раз быстрее, чем современные лазерные 3D-принтеры. В этой линейке: Studio System для прототипирования и использования небольшими группами, Production System – более крупная система для производства. В Production System используется впрыск расплавленного металла (Metal Injection Molding MIM – инжекционное литье металла) – аналог струйной печати. Этот процесс не требует однородности размера частиц, как того требуют лазерные системы 3D-печати, что делает материалы для него на 80% дешевле. MIM может использовать существующие на рынке порошки недорогих высококачественных сплавов, распылённых различными способами.

— Аппараты для лазерного спекания полимеров представили компании SHAREBOT, SINTERIT и XYZprinting. Такие 3D-принтеры созданы для послойного лазерного спекания полимерных порошков, в том числе и композитных. Они печатают с точностью, превышающей разрешение FDM-принтеров. Цены на такие аппараты, ранее доступные только крупным предприятиям, заметно снизились в 2017 году. При стоимости в 20–40 тысяч долларов, они обеспечивают промышленное качество печати и имеют более компактные размеры, чем традиционные промышленные установки. Качество распечаток не требует постобработки. Аппараты могут применяться в тяжёлой промышленности, автомобилестроении, аэрокосмической отрасли.

Стоит отметить, что в 2017 году 3D-печать вышла за рамки создания прототипов и бросила вызов традиционному массовому производству. В подтверждение тому издание Technology review подготовило список пяти самых впечатляющих вещей, напечатанных на 3D-принтере в 2017 году.

3D-печать стала прорывом для Adidas – с её помощью компания производит обувь на 90 % быстрее, чем раньше. Фирма запустила производство кроссовок с 3D-печатной подошвой. Коллекцию Futurecraft 4D планируется выпустить на массовый рынок в 2018 году. Дальше компания откроет ещё одну роботизированную фабрику в Атланте, где будет применяться 3D-печать. Adidas хочет печатать миллион кроссовок в год.

В 2017 году инженеры из Массачусетского технологического института разработали технику, которая в разы ускоряет печать. На первый взгляд кажется, что в печати таких изделий как очки, шестерёнки, макеты зданий, миниатюрные статуэтки нет ничего особенного, и даже простые принтеры уже печатали что-то подобное. Но в работах МТИ речь идёт в первую очередь о скорости. Наблюдая за процессом печати, представленном инженерами из Массачусетса, кажется, что видео ускорили. На самом деле ускорили не запись, а печать – то, что раньше занимало часы, теперь печатается за минуты.

Скорость проникла не только в 3D-печать пластиковых игрушек, моделей и деталей. Печать становится все эффективнее и в промышленности. Например, появилась система Markforged. Она объединяет тысячи принтеров, которые могут производить идентичные металлические изделия примерно в 50 раз быстрее и в 20 раз дешевле, чем традиционное производство. Здесь опять не обойтись без упоминания про 3D-принтер от Desktop Metal, который печатает из металла в 100 раз быстрее существующих машин, но при этом сам принтер 10 раз дешевле аналогов, а расходный материал для него обходится в 20 раз дешевле представленных на рынке. В результате стоимость производства упадёт в разы, а стоимость продукции, изготавливаемой таким образом снизится минимум в 10 раз. При такой производительности принтер безопасен: не используются ядовитые металлические порошки, отсутствует лазер, все это делает возможным устанавливать такие принтеры прямо в офисе или даже дома. Обслуживание также упрощено: не требуется специальный персонал или оборудование.

В ноябре 2017 года General Electric представила новый 3D-принтер, печатающий из металла. Его главная особенность – размеры, которые позволяют интегрировать принтер в производство деталей для аэрокосмической индустрии. Тогда же принтер напечатал первое сопло для реактивного двигателя. Есть и другие успешные проекты. Австралийские инженеры спроектировали, напечатали на 3D-принтере и испытали целый реактивный двигатель.

Главным недостатком ранних версий металлических принтеров было то, что они производили хрупкий металл. Печать на них была постоянным компромиссом между прочностью и пластичностью. Но 2017 год стал прорывным и в этом вопросе. В Ливерморской национальной лаборатории (США) добились внедрения в 3D-печать одной из самых распространённых форм нержавеющей стали AISI 316L, которая используется в химической промышленности и судостроении. При этом лазерное спекание при формировании каждого слоя изделия завершалось быстрым охлаждением, которое заставляло кристаллы сплава упаковываться более плотно, укрепляло соединяющие их «стенки» и делало изделие прочнее, нежели при изготовлении обычными методами.

Такими представляются изданию Technology review пять самых значимых достижений 3D-печати в 2017 году.

Возвращаясь к преамбуле этой главы… Во второй половине XVII века человечество изобрело паровой двигатель, подтолкнувший мир к первой промышленной революции. Вторая промышленная революция, связанная с изобретением двигателя внутреннего сгорания и распространением электричества, длится до сих пор и явно переживает период упадка. Её технологии уже выработали свой потенциал и ждут, когда на смену им придёт нечто другое, более совершенное. Что это может быть? Существует мнение, что именно технологии 3D-печати смогут придать развитию человечества новый импульс.

Это сейчас возможности 3D-принтеров вызывают не более чем любопытство сродни тому, что мы обычно испытываем в зоопарке, глядя на неведомую зверушку, однако в долгосрочной перспективе их потенциал поистине огромен, и уже в ближайшие годы 3D-печать получит ещё большее распространение и кардинально изменит представления о производстве вещей, делая их более доступными и уникальными. А это однозначно скажется на культуре производства и потребления, неотвратимо изменяя облик повседневной жизни человека.

Многие учёные предрекают наступление эры 3D-печати, которая приведёт к полной децентрализации общества. Наряду с развитием солнечной энергетики и тотальной информатизацией, трёхмерная печать может стать толчком к развитию автономности домов, в рамках которой единственная потребность в связи с внешним миром будет заключаться в необходимости покупки сырья для 3D-принтеров. В результате логистика в своём нынешнем виде исчезнет, а её место займёт нечто совершенно другое. Хорошо это или плохо, сказать трудно, однако тот факт, что наш мир в скором времени изменится до неузнаваемости, уже не вызывает никаких сомнений, и не последнюю роль в этом сыграют 3D-технологии.

Зелёные технологии

Как было сказано и показано в предыдущей главе, в наши дни мощным фактором, давшим новый толчок прогрессу в направлении растущих потребностей человечества, стало распространение цифровых технологий: 3D-моделирования, 3D-сканирования, объёмной печати и роботизации. Но для того, чтобы инновационный продукт органично вписался в многомерное пространство будущего, на современном этапе развития общества на первый план выходит экологическая составляющая любой инновации, то есть инновация, помимо всего прочего, должна быть экологически приемлемой. По оценкам многочисленных экспертов экологические технологии, в просторечии называемые «зелёными технологиями», станут лидирующими в развитии мирового хозяйства в XXI веке. Заключения экспертов не на пустом месте появились – в последние годы в условиях реализации стратегии экологически ориентированного роста «зелёные технологии» в цивилизованном мире развиваются ускоренными темпами. Важнейшими стимулами роста служат различные меры государственной политики, а также новые возможности, открывающиеся перед бизнесом на экологическом рынке, который быстро растёт под влиянием спроса со стороны потребителей.

Смена технологической парадигмы и диверсификация производства в сторону малозатратных, малоотходных, малотоксичных «зелёных технологий» произошла в конце XX века и коснулась практически всех, как уже существующих, так и только разрабатываемых технологий. В связи с этим в развитых странах граждане вместе с правительствами ставят задачу и принимают программы национального и интернационального характера по защите окружающей среды и человека от него самого, осознав, что пришло время спасать планету от нас самих, неразумно, избыточно эксплуатирующих и нагружающих природу. Ответом на эти вызовы явилось новое направление науки и практики под названием «зелёные технологии».

Стоит отметить, что не существует единого определения понятия «зелёных» или экологически чистых технологий. Общий подход предполагает достижение их главной цели – снижение негативного воздействия на окружающую среду путём сокращения объёмов потребляемых ресурсов, уменьшения количества отходов вплоть до их полного возврата в производство посредством глубокой переработки, использования в производственных процессах механизмов и принципов, «работающих» в природе, повышения энергоэффективности производства и быта, улучшения свойств материалов с позиции экологической безопасности.

Согласно классификации Организации экономического сотрудничества и развития (ОЭСР), «зелёные технологии» охватывают следующие сферы:

— общее экологическое управление (управление отходами, борьба с загрязнением воды, воздуха, восстановление земель);

— производство энергии из возобновляемых источников (солнечная энергия, биотопливо и другое), смягчение последствий изменения климата, снижение вредных выбросов в атмосферу, повышение эффективности использования топлива, а также энергоэффективности зданий и бытовых приборов.

Если развернуть эту сжатую формулу, то получим, что «зелёные технологии» по существу охватывают все области деятельности человека и нацелены на:

— устойчивое развитие современного общества для блага будущих поколений с решением глобальных задач: предотвращение истощения ресурсов, налаживание разумного природопользования, улучшение демографии, исключение токсичности производства;

— производство нетоксичных продуктов по замкнутому циклу: производство – утилизация – новое производство (от рождения до рождения – «cradle to cradle», вместо нынешнего «grave to grave» – от могилы до могилы);

— максимальное, вплоть до нуля, сокращение отходов за счёт инноваций в технологиях и в структуре потребления;

— принципиальную модификацию вредных производств и замену их на безвредные с использованием естественных технологий, созданных природой за миллионы лет;

— замена не возобновляемых природных ресурсов на альтернативные возобновляемые источники сырья и энергии;

— исключение использования вредных синтетических химикатов в сельском хозяйстве, внедрение биотехнологий в земледелие, животноводство и переработку сельхозпродукции.

В настоящее время «зелёные технологии» внедряются во всю цепочку деятельности компаний, включая, помимо производства, потребление, менеджмент и методы организации производства, во имя решения глобальных задач по устойчивому развитию современного и будущего общества, а именно:

— модификация и замена вредных производств;

— развитие новых альтернативных видов энергии и новых видов топлива;

— поиск новых подходов к безопасной и доступной пище и воде;

— защита от загрязнения атмосферы, почвы, пресной воды и мирового океана;

— разумное регулирование демографии.

В целом ряде развитых стран действуют масштабные государственные планы и программы стимулирования разработки экологических технологий и инноваций, создаются специальные исследовательские центры и фонды. Значительным стимулом развития «зелёных технологий» служат стандарты, налоги, субсидии и другие меры государственной политики. Множество программ, направленных на поощрение развития природоохранных технологий, действует в США, а в ЕС в соответствии с седьмой рамочной программой научно-технологических мероприятий в 2007-2013 годы на развитие экологически чистых технологий было затрачено 10 млрд. евро.

Тенденцией последних лет становится повышенное внимание к экологическим технологиям со стороны быстроразвивающихся стран. Например, значительные суммы на их разработку выделяются в Китае и Индии. В Китае действуют более 1600 государственных инкубаторов и научных парков, большинство из которых вовлечены в проекты по разработке экологически чистых технологий. Благодаря этому Китай занимает одну из лидирующих позиций в мире по патентам в шести основных областях, включая ветровую энергетику, производство биотоплива и экологически чистое использование угля.

Основная часть «зелёных технологий» сосредоточена в относительно небольшом числе стран, при этом разные страны специализируются на тех или иных видах технологий. Технологии по борьбе с водным и воздушным загрязнением, по управлению отходами активно развиваются в странах Организации экономического сотрудничества и развития (ОЭСР): в Австралии – по борьбе с загрязнением воды, в Дании – по возобновляемой (в первую очередь ветровой) энергетике, в Германии – по борьбе с загрязнением воздуха, в Испании – по солнечной энергетике. Значительный прогресс в разработке «зеленых технологий» отмечается также в странах БРИИКС: Бразилия, Россия, Индия, Индонезия, Китай, ЮАР разрабатывают технологии по управлению отходами, контролю над загрязнением воды и возобновляемой энергетике.

Важную роль в проведении научных исследований и разработок в сфере «зелёных технологий» играют частные компании (включая малый и средний бизнес), которые рассматривают их в качестве возможности повысить эффективность производства и, как следствие, свои конкурентные преимущества. Значительную активность в этой области проявляют венчурные компании. Один из основных показателей развития «зелёных технологий» – патентная активность. В 2000-е годы значительный рост демонстрировали технологии по смягчению последствий изменения климата. Наибольшими темпами увеличивалось число патентов в сфере возобновляемой энергетики и контроля над загрязнением воздуха. Так, по сравнению с 1997–1999 годами число патентов в сфере солнечной энергетики выросло в три раза. Намного медленнее растёт число патентных заявок в области хранения энергии и переработки материалов. В изобретательской деятельности в области производства энергии из возобновляемых и неископаемых источников по-прежнему лидируют европейские страны: в конце 2000-х годов на них приходилось 37 % патентов в этой сфере, за ними следовали США и Япония. Китай в этом виде патентов занял восьмое место. В отдельных сферах основными разработчиками выступают другие страны. Например, США имеют ведущие позиции по числу патентов в области производства электрических и гибридных автомобилей, Нидерланды – по энергоэффективности в зданиях и осветительных приборах.

«Зелёные технологии» – это яркое проявление современного тренда эффективности междисциплинарного подхода для решения сложных задач. Они не заменяют, а соединяют экологию, экономику, социальную технологию, основываясь на всех современных достижениях науки и техники. Пример тому «зелёная химия».

Научное направление под названием «зелёная химия» возникло в 90-х годах ХХ века и стало приоритетным направлением развития химии и экономики всего мира. Впервые этот термин ввёл доктор Пол Анастас из Йельского университета в 1991 году. Стоит заметить, что «зелёная» химия – это не раздел химии, а новый способ мышления в химии, при том многие ошибочно считают, что «зелёная химия» и экология – это одно и то же. Разница в том, что конечная цель «зелёной химии» – поиск безопасных с точки зрения химии и экологии способов деятельности общества во всех аспектах: от процессов производства и использования энергоресурсов до выполнения ежедневной домашней работы.

Специфические особенности «зелёной химии» нашли своё отражение в 12-ти принципах, сформулированных Полом Анастасом и Джоном Уорнером.

1. Лучше исключить выбросы, чем потом затрачиваться на дорогостоящую утилизацию, очистку, уничтожение.

2. Стратегия синтеза новых веществ должна быть построена таким образом, чтобы все вещества максимально вошли в состав конечного продукта.

3. Максимально исключать использование в производстве токсичных веществ и получение в результате производства токсичных продуктов.

4. Выбор химических продуктов должен максимально повышать их эффективность и снижать токсичность.

5. Минимально использовать органические растворители и вредные вспомогательные вещества.

6. Преимущественно использовать процессы при температуре окружающей среды и атмосферном давлении.

7. Переходить к возобновляемому сырью.

8. По возможности при синтезе новых материалов и их модификации избегать получения промежуточных продуктов.

9. По возможности переходить от классических затратных стехиометрических реакций к селективным каталитическим.

10. По возможности производимые продукты должны быть биологически разлагаемы, т.е. не накапливаться в окружающей среде.

11. Аналитический контроль производства для предотвращения образования вредных веществ.

12. Технологии должны исключать утечку, пожары, взрывы, несчастные случаи.

Если кратко, то «зелёная химия» развивается в следующих направлениях:

— новые принципы синтеза,

— использование возобновляемых источников сырья, реагентов, материалов,

— замена традиционных органических растворителей.

При этом новые схемы химических реакций и процессов, которые сейчас разрабатываются в научных лабораториях, должны обеспечить экологическую безопасность общества, снижение ущерба окружающей среде и искоренение бедности, поскольку планомерное следование принципам «зелёной химии» позволяет в конечном итоге снижать затраты на производство.

В мире присуждаются награды и премии за заслуги в области развития «зелёной химии», что, несомненно, свидетельствует о внимании к этой проблеме. В частности, премию президента США Presidential Green Chemistry Challenge Award присуждают за инновационные решения, учитывающие интересы окружающей среды, причём независимо от того, президент какой партии находится у власти. Статус премии предусматривает выдающиеся заслуги отдельных специалистов и организаций в области исследования, развития и внедрения наиболее перспективных направлений технологии «зелёной химии».

На вручении премии Presidential Green Chemistry Challenge Award компании Polymate Ltd.

Cлева направо:

Дарин Неллис (Darin Nellis), директор по маркетингу компании;

Джим Джонс (Jim Jones ), представитель Агентства по охране окружающей среды, США;

д-р. Дмитрий Бейлин (Dmitry Beilin), зав. лаб. компании;

проф. Олег Фиговский (Oleg Figovsky ), директор компании по науке и развитию;

Джозеф Криштул (Joseph Kristul) президент компании;

Александр Корот (Alexander Korot), директор компании.

В 2015 году премию Presidential Green Chemistry Challenge Award получили американская компания Nanotech Industries, Inc. и израильская компания Polymate Ltd. за разработку и освоение производства неизоцианатных полиуретанов и гибридных материалов на их основе. Специалистами израильской компании Polymate Ltd. была впервые создана промышленная технология получения покрытий, монолитных полов и вспененных полиуретанов, не содержащих токсичных и канцерогенных изоцианатов на всех стадиях технологического процесса. Отмеченная наградой работа была выполнена под руководством автора книги, в то время директора по науке и развитию компании Polymate Ltd, профессора Олега Фиговского. В сообщении о получении премии было отмечено: «As a recipient of this prestigious award, you are distinguished at the national level as in innovator in green chemistry».

В процессе разработки «зелёной технологии» производства покрытий, монолитных полов и вспененных полиуретанов, не содержащих токсичных и канцерогенных изоцианатов, компания Polymate Ltd. разработала несколько новейших технологий, защищённых более 10 патентами США, Европы и Канады. Неизоцианатные полиуретаны получают по реакции олигомерных циклокарбонатов, в том числе на основе растительных масел и олигомерных первичных аминов. Такие полиуретаны обладают высокой прочностью, ударо- и износостойкостью, а также гидролитической стабильностью. Этой же компанией разработана оригинальная технология наноармирования твёрдых материалов (металлов, полимеров, керамики) уникальным методом суперглубокого проникновения. Тематика экологически безопасных (Environment Friendly) промышленных нанотехнологий является основной тематикой исследований Международного нанотехнологического исследовательского центра «Polymate» (Израиль), создавшего более десяти таких технологий, защищённых патентами США.

Создание полиуретанов без ядовитых изоциананатов, отмеченное премией президента США Presidential Green Chemistry Challenge Award – отражение нынешнего тренда «зелёной химии»: «Не вместо, а вместе!», что означает разумное применение достижений современной химии вкупе с уже созданными природой технологиями и компонентами.

Среди современных сфер разработки «зелёных технологий» ключевой является энергетика. Основные направления её «экологизации» – повышение энергоэффективности и развитие новых источников энергии, в первую очередь альтернативных.

В то время как большинство концепций альтернативной энергетики не новы, только за последние несколько десятилетий этот вопрос стал, наконец, актуальным. Благодаря совершенствованию технологий производства энергии, стоимость большинства форм альтернативной энергии понижалась, в то время как эффективность росла. Как и со многими другими техническими понятиями имеют место быть некоторые споры касательно того, что означает «альтернативная энергия» и к чему этот термин можно применить.

С одной стороны, этот термин можно отнести к формам энергии, которые не приводят к увеличению углеродного следа человечества. Поэтому он может включать ядерные объекты, гидроэлектростанции и даже природный газ и «чистый уголь».

С другой стороны, этот термин также используется для обозначения того, что в настоящее время считается нетрадиционными методами энергетики ‒ энергии солнца, ветра, геотермальной энергии, биомассы и других способов получения энергии. Такого рода классификация исключает такие методы добычи энергии, как гидроэлектростанции, которые существуют больше сотни лет и представляют собой довольно распространённое явление в некоторых регионах мира.

Другой фактор в том, что альтернативные источники энергии должны быть «чистыми», не производить вредных загрязняющих веществ. Как уже отмечалось, это подразумевает чаще всего углекислый газ, однако может относиться и к другим выбросам ‒ угарному газу, двуокиси серы, окиси азота и другим. По этим параметрам ядерная энергия не считается альтернативным источником энергии, поскольку производит радиоактивные отходы, которые высокотоксичны и должны храниться соответствующим образом.

Во всех случаях, однако, этот термин используется для обозначения видов энергии, которые придут на смену ископаемому топливу и углю в качестве преобладающей формы производства энергии в ближайшее десятилетие.

Строго говоря, существует много видов альтернативной энергии. Опять же, здесь определения заходят в тупик, потому что в прошлом «альтернативной энергетикой» называли методы, использование которых не считали основным или разумным. Но если взять определение в широком смысле, в него войдут некоторые или все эти пункты:

Гидроэлектроэнергия. Это энергия, вырабатываемая гидроэлектрическими плотинами, когда падающая и текущая вода (в реках, каналах, водопадах) проходит через устройство, вращающее турбины и вырабатывающее электричество.

Ядерная энергия. Энергия, которая производится в процессе реакций замедленного деления. Урановые стержни или другие радиоактивные элементы нагревают воду, превращая её в пар, а пар крутит турбины, вырабатывая электричество.

Солнечная энергия. Энергия, которая получается напрямую от солнца: фотовольтаические ячейки (обычно состоящие из кремниевой подложки, выстроенные в крупные массивы) преобразуют лучи солнца напрямую в электрическую энергию. В некоторых случаях и тепло, производимое солнечным светом, используется для производства электричества, это известно как солнечная тепловая энергия.

Энергия ветра. Энергия, вырабатываемая потоком воздуха: гигантские ветряные турбины вращаются под действием ветра и вырабатывают электричество.

Геотермальная энергия. Эту энергию вырабатывает тепло и пар, производимые геологической активностью в земной коре. В большинстве случаев в грунт над геологически активными зонами помещаются трубы, пропускающие пар через турбины, таким образом вырабатывая электричество.

Энергия приливов. Приливное течение у береговых линий тоже может использоваться для выработки электричества. Ежедневное изменение приливов и отливов заставляет воду протекать через турбины назад и вперед. Вырабатывается электроэнергия, которая передаётся на береговые электростанции.

Биомасса. Это относится к топливу, которое получают из растений и биологических источников ‒ этанола, глюкозы, водорослей, грибов, бактерий. Они могли бы заменить бензин в качестве источника топлива.

Водород. Энергия, получаемая из процессов, включающих газообразный водород. Сюда входят каталитические преобразователи, при которых молекулы воды разбиваются на части и воссоединяются в процессе электролиза; водородные топливные элементы, в которых газ используется для питания двигателя внутреннего сгорания или для вращения турбины с подогревом; ядерный синтез, при котором атомы водорода сливаются в контролируемых условиях, высвобождая невероятное количество энергии.

Во многих случаях альтернативные источники энергии также являются возобновляемыми. Тем не менее, эти термины не полностью взаимозаменяемы, поскольку многие формы альтернативных источников энергии полагаются на ограниченный ресурс. К примеру, ядерная энергетика опирается на уран или другие тяжёлые элементы, которые необходимо сначала добыть.

В то же время ветер, солнечная, приливная, геотермальная и гидроэлектроэнергия полагаются на источники, которые полностью возобновляемые. Лучи солнца ‒ самый изобильный источник энергии из всех и, хоть и ограниченный погодой и временем суток, является неисчерпаемым с промышленной точки зрения. Ветер тоже никуда не пропадает, благодаря изменениям давления в нашей атмосфере и вращению Земли.

В настоящее время альтернативная энергетика все ещё переживает свою юность. Но эта картина быстро меняется под влиянием процессов политического давления, всемирных экологических катастроф (засух, голода, наводнений) и улучшений в технологиях возобновляемых энергий. Не последнюю роль в ускоренном развитии альтернативной энергетики в наше время играет энергетический кризис.

Энергетический кризис, в котором находится человечество, имеет две причины. Первая – ограниченность существующих ископаемых энергоносителей. Вторая – загрязнение окружающей среды. И если первая из этих причин носит скорее геополитический характер, чем является реальной нехваткой природных углеводородов на сегодняшний день (разведанных запасов нефти, даже с учетом бурного роста потребления в Азии хватит как минимум на 30-40 лет, природного газа на 80 лет, угля не менее чем на полтора века), вторая грозит возможными катаклизмами (ураганами, изменениями направления океанских течений, таянием льдов, изменением состава атмосферы, глобальным потеплением и изменением климата) в самом ближайшем будущем. При этом возможность фазовых переходов (то есть таких, при которых малые изменения параметров влекут за собой глобальные последствия) отнюдь не исключена – а каковы критические значения параметров и когда наступят скачкообразные изменения, никто не знает.

Причина глобальных катаклизмов, как грядущих, так и уже наступающих, лежит в самом характере человеческой цивилизации, которая не вписывается и не пытается вписываться в структуру окружающего мира. Вплоть до XIX века люди жили в несравненно большем балансе с природой, чем после промышленной революции. Природа за миллионы лет создала технологии производства всего того, что необходимо человеку для пребывания в этом мире (иначе б мы тут не жили), но нам ведь надо побыстрее и попроще, чтоб стало побольше да подешевле при наращивании объёмов производства и продаж, да ещё и с нужными потребительскими свойствами. Природные технологии по нашему разумению, точнее было бы сказать – недоразумению – чересчур неспешные и заумные, нам невдомёк, мы не хотим выбирать два из трёх: «быстро, дёшево, вкусно» – нам все сразу подавай. Как результат, сегодня множество производств и все возрастающее накопление самых разнообразных отходов делают глобальный дисбаланс цивилизации и природы неизбежным. Энергетика XXI века вносит в дестабилизирующие процессы громадный вклад. Так, в Калифорнии выброс парниковых газов в атмосферу автомобилями составляет приблизительно половину от общего выброса. Изобретение паровой машины, а затем двигателя внутреннего сгорания с возможностью превращения энергии пара в электрическую в тысячи раз увеличили количество сжигаемых углеводородов и одновременно – выбрасываемых в атмосферу продуктов сгорания. В этом смысле путь от пожара в лесу до локализации огня человеком (на котором можно было жарить еду, обжигать горшки, который отпугивал хищников, обогревал помещения) длиннее, чем от костра в пещере до двигателя автомобиля, а идея-то, в сущности та же.

Есть ли у цивилизации какой либо иной путь? В 2004 году была выдвинута концепция «Альтервитальной Цивилизация» (от латинского Altera Vitae, другая жизнь). Был поставлен общий вопрос: возможна ли цивилизация, которая не нарушала бы баланса биоценоза с природой и была бы полностью, или почти полностью, безотходной? На этот важнейший стратегический вопрос в принципе был дан положительный ответ.

Современная техногенная цивилизация получает, хранит, распределяет и утилизирует энергию абсолютно не так, как эти процессы осуществляются в живой природе. Взять ту же утилизацию. Спасибо нашим диким предкам: сохранили, пронесли для нас через тысячелетия великий секрет утилизации отходов – убрать с глаз долой да сжечь, если горит. И плевать, что отходы эти – уникальное сырье для производства новых товаров по примеру природы, где все в дело идёт. Гори все синим пламенем в топке мусоросжигающей печи! А ведь на дворе не каменный век – XXI-ый! Не сжигание, а переработка отходов, не выбрасывание на помойки, высокопарно именуемые полигонами, а утилизация для повторного использования – вот подход цивилизованного человека к проблеме отходов! И ладно б не было соответствующих технологий и оборудования. Есть же! И идеи полного цикла переработки, и опробованные на практике технологии, и действующее оборудование. Только все в единичных экземплярах, в виде диковинных штуковин, про которые мало, кто знает, из-за слабой маркетинговой политики их продвижения на рынок и в силу господства первобытных технологий зарабатывания денег, когда чисто на приёме мусора для якобы утилизации, деньги с такими скоростями делают, что в высоких технологиях и не снились.

Оценки показывают, что энергопотребление в биоценозе на порядки (как минимум в 100 раз) превышает энергию, утилизируемую человечеством при сжигании природных энергоносителей (нефти, газа и угля). При этом не только отдельные организмы, но и биоценоз в целом находятся в глобальном балансе с природой.

Перед рассмотрением достижений человечества в энергетике с позиций «зелёных технологий» посмотрим, как это делается природой.

Универсальным первичным источником энергии в мире живого является солнце. Поглощение квантов света осуществляется в фотосинтезе, в результате которого синтезируется глюкоза, являющаяся универсальным биологическим топливом.

хлорофилл

6CO2 + 6H2O ––––––––––––––® C6H12O6 +6O2

солнечный свет

Существует два вида молекулы хлорофилла отличающиеся лишь одной группой. Для хлорофилла-α это группа X=CO, для хлорофилла-β – CHO. Несмотря на то, что различие минимально, эти две молекулы совокупно перекрывают очень широкий спектр, в частности почти весь видимый глазом свет. Непоглощённой остаётся зона 500-600 нм, соответствующая зелёному свету (именно поэтому листья растений и планктон как правило имеют зелёный цвет). Для длительного хранения энергии глюкоза энзиматически преобразуется в свои производные: в растениях в дендример (макромолекула с симметричной древообразной с регулярными ветвлениями структурой) альфа-глюкозы – крахмал, у животных в дендример альфа-глюкозы – гликоген. Кроме того, стволы и ветки деревьев более чем наполовину по массе состоят из линейной формы бета-глюкозы – целлюлозы. В дендримерных формах глюкозы при утилизации энергии от молекулы по одной отщепляются замыкающие ветви звенья. Это позволяет делать процесс утилизации энергии in vivo универсальным и контролируемым на молекулярном уровне.

Универсальные формы хранения энергии in vivo: крахмал и гликоген. Молекулы полимера – крахмала накапливаются в клетках растений и образуют запас питательных веществ, в то время, как молекулы мономеров глюкозы не откладываются про запас, а либо преобразуются в полимерные формы: линейную (целлюлоза) или дендримерную (крахмал и гликоген) – либо быстро расходуются.

Крахмал содержится в больших количествах в зерновых злаках – пшенице, рисе, ячмене и других, а также в картофеле. В промышленности глюкозу получают гидролизом крахмала. Общая масса крахмала, синтезируемого в течение года in vivo, оценивается в сотни миллиардов тонн.

Гликоген – главная форма формирования запасов углеводов у животных. Гликоген – полисахарид, откладывающийся в виде гранул в цитоплазме клеток и расщепляющийся до глюкозы при недостатке её в организме. Гликоген запасается больше всего в печени (до 6 % от массы печени) и в мышцах (порядка 1% массы мышц).

Целлюлоза – клетчатка, главный строительный материал растительного мира, образующий клеточные стенки деревьев и других высших растений. Самая чистая природная форма целлюлозы – волоски семян хлопчатника. В древесине содержится от 40 до 60 % целлюлозы. Различие между молекулами целлюлозы и крахмала состоит также и в том, что у целлюлозы больше степень полимеризации (n). В состав одной макромолекулы крахмала входит от нескольких сотен до нескольких тысяч звеньев, а в состав молекулы целлюлозы – свыше 10 000 звеньев. Целлюлоза образует волокна, которые придают растению жёсткость и прочность. Так, волокно целлюлозы прочнее, чем стальная проволока такого же диаметра. Целлюлоза, крахмал и гликоген имеют одинаковую химическую формулу (C6H10O5)n.

Согласно современным воззрениям, утилизация энергии, запасённой в углеводородах, осуществляется в три этапа, каждый последующий из которых осуществляется только как результат предыдущего.

Гликолиз: анаэробное превращение глюкозы в пируват, в результате которого производится аденозинтрифосфат или аденозинтрифосфорная кислота (ATP) – источник энергии для всех биохимических процессов в живых системах.

Аэробный процесс окислительного фосфорилирования (также называемый циклом Кребса), сопряжённый с конечным продуктом гликолиза – пируватом – путём его окисления в ацетилкофермент А (ацетил-КоА). На этом этапе производятся дополнительные молекулы ATP и кроме того никотинамидадениндинуклеотид в восстановленной форме (NADH), являющийся универсальным переносчиком электронов в клетке (а также восстановленный флавинадениндинуклеотид – FADH2).

Хемиосмос (chemiosmosis), происходящий в мембранах митохондрий, контролируется несколькими ферментами при участии NADH и FADH2, приводящий к образованию дополнительных молекул ATP.

В результате этих трёх процессов из одной молекулы глюкозы производится до 38 молекул ATP.

Пара аденозинтрифосфат-аденозиндифосфат является «молекулярным шатлом». ATP богата энергией, потому что содержит две гидролизуемые фосфатные группы. Когда Р-О связи рвутся, освобождается свободная энергия, которая может использоваться в метаболизме. Энергия гидролиза одного фосфата составляет 30 КДж/моль, отщепление второго фосфата освобождает ещё 30 КДж/моль. ATP постоянно потребляется организмом. За сутки в организме человека синтезируется примерно 40 кг ATP, в то время как общая масса ATP в организме человека порядка 50 грамм. ATP никогда не хранится долго: за сутки она может совершить сотни и даже тысячи циклов. При усиленной работе расход ATP составляет до пятисот грамм в минуту. Суммарная масса произведённого в организме ATP за сутки может в несколько раз превысить массу животного, хотя в каждый момент времени в организме имеется в сотни или даже тысячи раз меньше этой величины.

Энергетические процессы, происходящие в живых организмах схожи с работой двухтактного двигателя внутреннего сгорания – система после каждого цикла извлечения энергии возвращается в исходное состояние. Фундаментальное отличие двигателей in vivo от двигателей внутреннего сгорания или турбин состоит в том, что они работают при температуре среды, процесс идёт с контролем за функционированием каждой молекулы, при том безотходно, намного более эффективно и экономно.

В процессе жизнедеятельности всех без исключения организмов утилизация запасённой в химических связях энергии происходит с контролем за метаболизмом каждой молекулы, и процессы эти происходят при температуре, близкой к температуре окружающей среды. Высокотемпературная утилизация (горение) in vivo, в отличие от человеческой цивилизации, не используется никогда. Кроме высокой температуры, горение характеризуется бесконтрольным превращением триллионов молекул в другие, при этом выделяется много тепла, и главной задачей оптимизации большинства технологий становится уменьшение тепловых потерь. В противоположность этому, в живой природе контроль при утилизации энергии осуществляется за метаболизмом каждой молекулы.

Мышцы являются универсальным механизмом, используемым многоклеточными организмами в живой природе для получения механической энергии. Мышцы состоят из актиновых (тонких) и миозиновых (толстых) нитей, состоящих из мономеров, сгруппированных в кластеры. Цикл функционирования мышцы в общих чертах выглядит так:

1) Головка миозинового мономера присоединена к мономеру актиновой нити прочной связью. При этом мономер актина, соседний с тем, к которому прикреплена головка мономера миозина, свободен.

2) Молекула ATP присоединяется к образовавшемуся комплексу мономеров актина и миозина и индуцирует конформационный переход к головке миозина, после чего эта головка отсоединяется от нити актина. При этом аденозинтрифосфат (ATP) превращается в аденозиндифосфат (ADP) и фосфатную группу Pi.

3) В головке миозина происходит конформационный переход, в результате которого фосфатная группа Pi отделяется от головки, а сама головка – от мономера актина.

4) Головка миозина (вместе с присоединённой к ней ADP) поворачивается и присоединяется к следующему мономеру актина. При этом процессе актиновые и миозиновые нити перемещаются друг относительно друга на один шаг, а аденозинтрифосфат освобождается.

После чего цикл повторяется. В результате множественных повторений цикла в каждом из кластеров, в которые сгруппированы мономеры актина и миозина, происходит сокращение мышцы.

В то время, как поколения технологий в ключевых областях промышленности в начале XXI века сменяются каждые несколько лет, живая природа исключительно консервативна. Одни и те же биологические механизмы, раз созданные, функционируют практически без изменений во всех организмах (количество видов которых на земле исчисляется миллионами) в течение миллиардов лет. Фотосинтез, гликолиз, цикл Кребса, хемиосмос и работа мышцы являются неизменными универсальными механизмами.

В техногенной цивилизации современности утилизация первичных источников энергии (нефти, газа, угля) происходит:

a) с выбросом вредных газов в атмосферу,

б) при высоких температурах,

в) с контролем только глобальных параметров (таких как давление в камере, температура горючей смеси в двигателе внутреннего сгорания, масса смеси и им подобные).

Напротив, в живой природе утилизация энергии происходит:

а) экологически чисто,

б) при нормальной температуре,

в) с контролем каждой молекулы при утилизации энергии.

В то время, как в цивилизации используются различные виды топлива (в частности органического происхождения, такие как дрова, нефть, торф), так и неорганические (природный газ), в живой природе имеется одно универсальное топливо: глюкоза.

Можно ли создать двигатели, работающие по тому же принципу, что и мышцы, то есть использующие в качестве топлива глюкозу? Или, если несколько шире вопрос поставить: «Можно ли перевести мировую энергетику с ископаемых углеводородов на глюкозу, как частный случай альтервитальной энергетики?». Непреодолимых технологических трудностей на этом пути нет, более того, есть пример от природы, где множество организмов черпают энергию из превращения глюкозы в аденозинтрифосфорную кислоту – источник энергии для всех биохимических процессов в живых системах.

Ключевыми для альтервитальной энергетики представляются следующие стадии:

1) Производство глюкозы и её производных в количествах, соизмеримых с потреблением нефти, то есть в миллиардах тонн. Такая система первого поколения не является проблематичной и может быть создана в течение нескольких лет.

2) Создание альтервитальной мышцы (аналог современных двигателей). Это в принципе решаемая задача, так как, в отличие от, например, термоядерных станций, мышцы работают в миллионах организмов. В случае её решения человечество будет обеспечено энергией на тысячи лет. Проблемы загрязнения окружающей среды при утилизации энергоносителей и потенциального исчерпания нефти также будут решены.

3) Создание альтервитального биоэлектрического генератора, превращающего энергию биотоплива в электричество без горения. По сравнению с созданием искусственной мышцы создание альтервитальных двигателей первого поколения сравнительно более лёгкая и быстрее решаемая задача.

Альтервитальная энергетика, как элемент «зелёной технологии» – это, по большому счёту, пока что одна из перспектив «озеленения» человечества, так сказать, то, к чему стремиться. А что мы имеем уже сейчас в сфере «зелёных технологий» и какие заделы есть на завтра, а не на отдалённое «зелёное» будущее?

Главные надежды в решении острейших экологических проблем (к ним относятся и ресурсные) возлагаются сегодня на технологические прорывы. В последние годы развитые страны переориентируют своё развитие на реализацию стратегии экологически ориентированного роста, одной из главных составляющих которой становятся «зелёные технологии». В этот процесс всё больше вовлекаются и развивающиеся экономики – пришла очередь и нам непосредственно рассказать про технологические прорывы, про достижения инновационных систем, затрагивающие «зелёные технологии». При этом в описаниях «зелёных технологий» обойдёмся без кавычек.

Начнём с солнечных и ветряных электростанций. В 2015 году возобновляемая энергетика вышла на первое место по установленной мощности среди всех видов топлива, когда в мире количество ежедневно устанавливаемых солнечных панелей превысило 500000 штук, а в Китае число запускаемых ветряных установок достигло двух в час. На наших глазах происходит беспрецедентная зелёная революция, которая кардинально изменит расклад сил на энергетическом рынке. Темпы установки солнечных панелей бьют все рекорды. И это только начало, ведь стоимость ветряков, а тем более солнечных панелей постоянно снижается.

«Мы наблюдаем трансформацию глобальных энергетических рынков под влиянием возобновляемых источников», ‒ признал исполнительный директор Международного энергетического агентства Фатих Бирол. Он согласился, что рост частично вызван кардинальным падением цен на оборудование для солнечных и ветряных электростанций. Такие цены как сейчас невозможно было представить пять лет назад. Так, стоимость установки ветровой электростанции с 2010 по 2015 год упала на 30 %, а стоимость солнечных электростанций ‒ в три раза.

Международное энергетическое агентство прогнозирует дальнейшее снижение стоимости ветряков и солнечных электростанций на ближайшие пять лет: на 15 % и 25 %, соответственно. Судя по всему, это довольно консервативная оценка. Вполне возможно, прогнозы опять придётся пересматривать из-за ещё более бурного роста солнечной и ветряной энергетики. Отчёт Medium-Term Renewable Energy Market Report 2016 посвящён временному периоду с 2015 по 2021 годы. Прогноз на этот отрезок пересмотрен на 13 % в сторону повышения. По оценке экспертов, установленные мощности за данный отрезок увеличатся не на 730 ГВт, а на 825 ГВт. Это связано с принятием более строгого законодательства в США, Китае, Индии и Мексике.

За 2015 год в мире установлено 153 ГВт мощностей в энергетике. Больше половины из них представляют солнечные станции (49 ГВт) и ветряные станции (63 ГВт). Введено в строй больше мощностей, чем генерируют некоторые страны «большой восьмёрки» ‒ например, Канада. Солнечные и ветряные электростанции станции добавили за год больше мощности, чем электростанции на угле, газе и ядерном топливе. Такое достижение позволило возобновляемым природным ресурсам обойти уголь и выйти на первое место в мире по установленной мощности.

«Установленная мощность» в альтернативной энергетике ‒ это довольно условный показатель. Солнце не светит круглосуточно, а ветер дует с переменной скоростью в разных направлениях. Поэтому реальное производство электроэнергии из возобновляемых ресурсов гораздо ниже, чем установленные мощности. По этому показателю возобновляемые источники очень сильно отстают. Судя по всему, чтобы обогнать ископаемое топливо по генерации электричества, следует установить в разы больше генерируемой мощности, чем сейчас.

По данным Международного энергетического агентства за 2015 год, уголь обеспечил 39 % мировой генерации электричества, а все возобновляемые источники, включая ГЭС ‒ всего 23 %. По прогнозу, доля возобновляемых источников к 2021 году вырастет до 28 %. В этом случае возобновляемые ресурсы будут генерировать более 7600 ТВт*ч – больше электричества, чем сейчас генерируют США и страны Евросоюза вместе взятые.

Принятие более строгого законодательство в некоторых странах в поддержку возобновляемой энергетики связано не только с ратификацией Парижского соглашения в рамках Конвенции ООН об изменении климата. Это связано ещё и с серьёзными экологическими проблемами в некоторых странах. Например, из-за сильного загрязнения воздуха в Китае эта страна стремится теперь активно продвигать альтернативную энергетику. Сейчас примерно 40 % новых мощностей возобновляемой энергетики в мире приходится именно на Китай (в том числе 50 % ветряных установок).

Эксперты предупреждают, что прогнозируемый рост альтернативной энергетики сильно зависит от государственной поддержки, которая часто меняется в разных странах. Неустойчивая природа солнечной и ветряной энергии тоже несёт определённые риски для операторов. Тем не менее, во всём мире электростанций на возобновляемых источниках сейчас вводят больше, чем на ископаемом топливе. В Евросоюзе и США установленная мощность альтернативной энергетики ежегодно превышает новые потребности экономики. То есть, сейчас вообще нет смысла строить новые ТЭЦ на угле и газе, и можно постепенно закрывать старые. Что и демонстрирует Китай, продолжая прикладывать все возможные усилия к переходу на возобновляемые источники энергии.

Отчет Institute for Energy Economics and Financial Analysis (IEEFA) за 2017 год показывает насколько явно КНР стремится стать лидером производства энергии из возобновляемых источников. В опубликованных документах заявляется, что общие инвестиции Китая в проекты производства чистой энергии составили в 2017 году более 44 миллиардов долларов, что существенно превосходит показатель 2016 года – 32 миллиарда долларов.

Согласно ведущему автору отчета Тиму Бакли, главе отдела исследований вопросов энергетического финансирования в IEEFA, решение США отказаться от Парижского соглашения стал важным катализатором роста Китая на растущем мировом рынке возобновляемых источников энергии: «Это необязательно должно значить, что теперь Китай заполнит абсолютно все ниши оставленного США лидерства в результате отказа от Парижского соглашения, но это определённо предоставит стране технологическое превосходство и финансовые возможности, позволив доминировать в таких быстрорастущих секторах, как солнечная энергия, электромобили и производство аккумуляторов».

Для строительства солнечных электростанций (СЭС) требуются солнечные панели, эффективно преобразующие солнечный свет в электричество. И тут китайцы оказываются на острие научно-технического прогресса. Пример тому – разработка крупнейшего производителя тонкоплёночных солнечных элементов компании Hanergy, чья технология преобразования солнечной энергии побила сразу три мировых рекорда по энергоэффективности. По новой технологии дочерними компаниями Hanergy: Alta Devices, Solibro и MiaSole – были созданы три вида панелей: односегментный солнечный модуль GaAs, двойные стеклянные солнечные модули CIGS и солнечные модули CIGS на гибкой подложке, которые имеют рекордную эффективность преобразования энергии в 25,1 %, 18,72 % и 17,88 % соответственно. Эти солнечные панели могут использоваться для беспилотных летательных аппаратов, на крышах домов, в транспортных средствах на электрической тяге и различной электронике. По словам представителей компании, возможности применения их технологии бесконечны, так как она может использоваться практически во всех инновационных областях. В подтверждении своих заявлений компания Hanergy выпустила дрон на солнечных батареях. Без подзарядки он способен находиться в воздухе до 10 часов, тогда как время работы беспилотников, оснащённых только литий-ионными батареями, составляет не более двух часов.

Успехи в практическом освоении энергии солнца для нужд энергетики демонстрирует и Израиль, но несколько с другой позиции подхода к использованию излучения ближайшей к нам звезды – в пустыне Негев компанией Megalim Solar Power строится солнечная башня одной из крупнейших в мире Ашалимской гелиотермальной станции. Ашалимская станция устроена по принципу гелиоконцентратора, устройства для концентрации энергии солнца. В основе проекта станции 55000 управляемых компьютером гелиостатов (зеркал), положение которых меняется в соответствии с движением солнца. Зеркала направляют отражённый свет на солнечный парогенератор – специальный котёл, расположенный на вершине центральной башни, который производит пар для турбины, вращающей электрогенератор. Солнечная башня Ашалимской станции высотой 250 метров – самая высокая в мире. Стоимость проекта составит $773 млн. Станция будет вырабатывать 121 МВт электричества — 2 % всего потребления Израиля. Электричества, производимого в Ашалиме, хватит на обеспечение чистой энергией 120 тысяч домов. Каждый год комплекс будет помогать экономить 110 тысяч тонн выбросов углекислого газа. Всего доля производства электроэнергии из возобновляемых источников в Израиле со временем увеличится и составит 10 % в 2020 году.

Если несколько дальше посмотреть на перспективы солнечной энергетики, то следует обратить внимание на достижения исследователей из Венского технологического университета, которые работают над новым классом материалов для солнечных батарей. Новый материал австрийских учёных представляет собой гетероструктуру из нескольких одноатомных слоёв оксидов, что придаёт композиту совершенно новые свойства. По заверениям исследователей, их новый материал откроет возможность производить более эффективные солнечные элементы.

Оксиды, использованные разработчиками, являются изоляторами, но при объединении двух соответствующих типов изоляторов наблюдается удивительный и очень важный эффект: поверхности гетероструктуры становятся металлическими и начинают проводить электрический ток. Это позволяет получать солнечное электричество без проводов, как это делается, к примеру, в кремниевых солнечных элементах, где провода блокируют часть попадающего на элемент света. Остаётся только найти наиболее эффективные комбинации материалов, которые максимально поглощали бы видимую часть спектра солнечного света.

Одно из многообещающих направлений изысканий эффективных преобразователей света солнца в электричество – тонкоплёночные структуры. В этом разрезе исследовательская группа из Оксфорда предложила новый способ создания тонкоплёночных солнечных элементов, эффективность преобразования энергии в которых превышает 15 %. Устройства создаются на основе материала, известного как перовскит. Солнечные ячейки имеют простую архитектуру и легко могут воспроизводиться в коммерческих масштабах, так как процесс осаждения из парообразного состояния, используемый для их производства, по своей простоте вполне может конкурировать с традиционными методами обработки материалов, применяемыми для создания солнечных элементов.

Британские исследователи продемонстрировали, что перовскиты не только поглощают свет, но также могут обеспечивать транспорт электронов и дырок проводимости. Это значит, что использовавшаяся ранее сложная наноструктура не является необходимой для создания сенсибилизированных красителем солнечных элементов. В предложенном ими устройстве поглощающий свет слой перовскита просто зажат между чувствительными к электронам и дыркам электродами. По сути, своей простотой установка во многом напоминает обычные плоские контактные солнечные батареи. При этом устройство обеспечивает высокую эффективность преобразования солнечной энергии в электричество (до 15,4 %), несмотря на толщину всего в 330 нм. Стоит отметить, что устройство также создаёт разность потенциалов в 1,07 В (что более чем в два раза превышает разность потенциалов, создаваемую кремниевыми пластинами толщиной 0,15 мм). Это означает, что для создания солнечных батарей с отличными характеристиками необходимо совсем немного перовскита.

Устройства на основе перовскита вполне могут производиться с помощью тех же процессов, что сейчас применяются для создания коммерческих солнечных элементов, в том числе, на основе кремния. Более того, так как они поглощают свет в другой спектральной области, нежели кремний, солнечные элементы на базе перовскита и кремния могут удачно дополнять друг друга. При том, слой кремния может размещаться под слоем перовскита (поскольку последний не поглощает требуемый диапазон излучения). Это позволит создавать устройства, эффективность которых превышает возможности солнечных элементов и из кремния, и из перовскита по отдельности.

Последние достижения в области повышения эффективности и экономичности солнечных панелей осуществлены не без помощи новых окрашивающих веществ: красителей и пигментов, играющих в солнечных батареях роль антенны – эффективного поглотителя солнечного света с его последующим преобразованием в электрический ток. Красители и пигменты, являясь по химическому строению абсорбентами видимой и ультрафиолетовой части спектра, переходя под действием света в возбуждённое состояние, способны переносить избыточную энергию возбуждения посредством электронов на другие молекулы. Это их фотосенсибилизирующее свойство используют в фотоэлементах солнечных батарей.

Первоначально в качестве фотосенсибилизаторов в анодах солнечных батарей использовали синтетические очень дорогие и токсичные красители экзотической структуры, содержащие рутений. Только в последнее время появился теоретический и практический интерес к природным красителям растительного и бактериологического происхождения как фотосенсибилизаторам солнечных батарей. Это понятно и очевидно, поскольку в природе красители, как правило, играют роль абсорберов в видимой и ультрафиолетовой области солнечного спектра. Преимуществом природных красителей перед синтетическими красителями и другими неорганическими фотосенсибилизаторами, как и в других областях их применения, является нетоксичность, биологическая совместимость и биоразлагаемость, простота производства, огромный выбор в природе.

Фотоэлементы, которые поглощают свет за счёт органических красителей, име-ют тенденцию выгорать при интенсивном облучении. Эффективность таких солнечных панелей при этом падает. Инженеры из университетов Северной Каролины и Иллинойса разработали прототип биомиметического органического фотоэлемента, который способен обновляться благодаря наличию внутренней капиллярной сети. Чтобы её восстанавливать, учёные решили обновлять краситель через специальную систему капилляров. Прототип солнечной батареи состоял из двух электродов, между которыми располагался гелевый электролит. Фотоанод устройства был покрыт нанопористым оксидом титана. В геле были проделаны каналы, через которые учёные могли пропускать органический краситель. Исследование показало, что устройство способно многократно обновляться после интенсивного облучения.

Свой вклад в понимание механизма работы красителей в фотовольтаике внесли исследователи из Лундского университета (Швеция), когда объяснили, каким образом красители на основе железа работают на молекулярном уровне в солнечных элементах. Результаты шведских учёных ускорят разработку недорогих и экологически чистых солнечных панелей с красителями на основе железа. Это сделает их и «Light catcher» – более дешёвыми и экологически чистыми. В течение многих десятилетий исследователи со всего мира пытались разработать красители на основе железа для использования их в солнечных элементах, но безуспешно. Самая большая трудность – это получить нужные свойства красителей, повысить их энергоотдачу путём генерации электрического тока. Все предыдущие попытки приводили к результату, когда панель генерировала тепло вместо разности потенциалов, которая является необходимым условием для выработки электроэнергии. «Существует международный интерес к нашим исследованиям. Исследовательские группы по всему миру стремятся испытать новые красители в других областях», — заявил старший преподаватель Лундского университета Петтер Перссон.

С другой стороны к фотовольтаике подошла группа учёных под руководством Итамара Виллнера из Еврейского университета в Иерусалиме (Израиль). Они искали способы создания источников питания на базе фотосистемы II, для работы которых не требовался какой-либо химический компонент, разрушающийся в процессе использования.

Фотосистема II – функциональный комплекс электрон-транспортной цепи (ЭТЦ) хлоропластов, находящийся в мембранах тилакоидов всех растений, водорослей и цианобактерий, где происходят реакции фотосинтеза. Поглощая энергию света в ходе первичных фотохимических реакций, он формирует сильный окислитель – димер хлорофилла α, который через цепь окислительно-восстановительных реакций способен вызвать окисление воды. Окисляя воду, фотосистема II поставляет электроны в ЭТЦ хлоропласта, где они используются для циклического фосфорилирования. Помимо этого, окисление воды приводит к образованию протонов и формированию протонного градиента, используемого в дальнейшем для синтеза аденозинтрифосфорной кислоты – источника энергии для всех биохимических процессов в живых системах. Фотохимическое окисление воды, которое осуществляет фотосистема II, сопровождается выделением молекулярного кислорода. Этот процесс (составная часть фотосинтеза растений) является основным источником кислорода на Земле.

Итамар Виллнер и его коллеги решили проблему создания источников питания на базе фотосистемы II при помощи двух «природных» компонентов на полюсах батарейки. Анод – отрицательный полюс устройства – изготовлялся следующим образом. Для начала учёными была выращена колония сине-зелёных бактерий Mastigocladus laminosus. Затем они извлекли молекулы фотосинтезирующих белков из их клеток. Потом физики изготовили небольшой золотой электрод, поверхность которого была покрыта специальным полимером, и к свободным «хвостам» прикрепили молекулы фотосистемы II. Полимер исполнял сразу две функции – удерживал молекулы фотосистемы на месте и являлся «проводом», по которому свободные электроны перетекали на золотой электрод. Положительный полюс – катод – был изготовлен из стеклоуглерода, поверхность которого была покрыта углеродными нанотрубками и ферментом «билирубин оксидазой». Это вещество захватывает свободные электроны и использует их для превращения свободного кислорода в молекулы воды. Как объясняют физики, такая реакция препятствует улетучиванию кислорода, который извлекается из молекул воды на аноде.

Фотосинтез в наше время является основой альтернативной энергетики, но он привлекает внимание исследователей и в других сферах деятельности человека, в частности при синтезе новых материалов. Существующие технологии синтеза химических соединений основаны на применении токсичных веществ (в качестве катализаторов) и чрезвычайно энергозатратны. Кроме того, синтез может проводиться только в чистых помещениях, что делает его дорогим, длительным и ограничивает возможности для работы при естественном освещении. Поэтому учёные ищут альтернативные способы катализа химических реакций, например с помощью видимого излучения.

В природе фотокатализ используется растениями – солнечный свет при участии хлорофилла обеспечивает фотосинтез. Однако до недавнего времени фотокатализ не мог быть воспроизведён искусственно из-за отсутствия подходящих материалов. Американские исследователи разработали такой материал ‒ люминесцентный солнечный концентратор (LCS). С помощью люминесцентных объектов устройство поглощало солнечный свет и перенаправляло его на фотоэлектрические элементы. В своей работе ученые из Технического университета Эйндховена использовали LCSs (в форме листьев), которые были легированы флуоресцентным красителем полидиметилсилоксаном. Поверхность объекта включала в себя сеть микроканалов для ввода жидкости с нужными химическими веществами, и под действием солнечного света молекулы вступали в реакцию. Таким образом, устройство повторяло принцип работы антенн фотосинтезирующих организмов.

Тесты показали, что новое устройство ускоряет синтез химических соединений при солнечном свете: даже в облачную погоду скорость реакций в микрореакторе на 40 процентов превышала показатель контрольных систем. Потенциально технология может не только снизить стоимость и упростить химический синтез, но и сделать возможным создание препаратов в условиях, где оборудовать чистое помещение затруднительно.

Совместить фотосинтез и получение экологически чистого топлива удалось профессору химии Фернандо Урибе-Ромо из Университета Центральной Флориды, который вместе со своими студентами разработал новый синтетический материал, преобразующий углекислый газ в топливо под воздействием фотонов света. Такой материал решает сразу две проблемы: снижает количество парникового газа и даёт экологически чистое топливо. И самое главное, что для его изготовления не нужны драгоценные металлы. Здесь используется титан, который продаётся килограммами и почти в тысячу раз дешевле, чем платина или иридий. Уже много лет учёные бьются над проблемой экономически рентабельного искусственного фотосинтеза. Цель в том, чтобы эффективно использовать бесплатную энергию солнечного света для проведения химических реакций. До настоящего времени удалось использовать с этой целью высокоэнергетические ультрафиолетовые лучи, но они составляют всего 4 % спектра солнечного света. Для других частей спектра пока найдено лишь несколько эффективных материалов, но они требуют дорогостоящих добавок: платины ($31 за грамм), рения ($1000 за грамм) или иридия ($35 за грамм). Синтетический материал представляет собой металл-органическую каркасную структуру (metal-organic framework, MOF). Похожие MOF из Zr6O4(OH)4, используются для конденсации воды из воздуха, тоже при помощи одного лишь солнечного света. Представьте, даже в самой сухой пустыне вы ставите на улицу пустую бутылку – и она сама наполняется водой.

В последние годы удалось разработать несколько путей, позволяющие серьёзно утончить фотоячейки, используя вспомогательные структуры с размером, не превышающим длину волны видимого света. «Главная цель – найти пути применения столь малого количества материала для абсорбции света», – уверен адъюнкт-профессор Стэнфордского университета (США) Шанхай Фан. Высокоэффективные материалы, такие как полупроводники на основе оксидов элементов III-IV групп, а также кристаллический кремний, очень дороги. В случае других материалов, например аморфного кремния, цена может быть не столь критична, но несущие заряд электроны и дырки не успевают пройти достаточное расстояние, прежде чем «потеряться» в виде тепла. Очевидно, что чем тоньше будет рабочая среда, тем легче носители заряда достигнут его границ. При этом, чем тоньше солнечная батарея, тем выше вероятность того, что фотон пройдёт сквозь неё, не успев абсорбироваться.

Коммерчески доступные батареи на кристаллическом кремнии могут иметь толщину около 180 мкм. В то же время рынок уже высказывает серьёзный спрос на 50 мкм. Поэтому, не размениваясь по мелочам, лаборатория Шанхая Фана взяла курс сразу на создание солнечных батарей толщиной в 1-2 мкм. В теории специальные методики, такие как нанесение случайных текстур на поверхность фотоячеек, способны в 50 раз увеличить уровень абсорбции света ввиду изменение углов прохождения фотонов сквозь ячейку. При этом методы нанофотоники могут улучшить этот показатель ещё в 10 раз.

Один из таких методов – плазмоника. Фотоны, сталкиваясь с небольшими металлическими структурами, могут образовывать плазмоны – коллективные колебания свободного электронного газа в металле. Эффект способен резко увеличить рассеяние света внутри батареи, увеличивая вероятность того, что фотон все-таки будет абсорбирован. Вивиан Ферри, аспирантка Калифорнийского технологического университета (США), сообщила, что её группа создаёт плазмоны, используя полусферические выпуклости на контактах солнечной батареи (90 мкм) из аморфного кремния. Фивиан Ферри утверждает, что такой наноструктурированный продукт производит на 15 % больше тока, чем коммерческая солнечная батарея той же площади, покрытая случайными текстурами.

Еще один любопытный нанофотонный трюк заключается в использовании фотонных кристаллов для создания рефлектора. Благодаря периодическому изменению коэффициента преломления фотонные кристаллы позволяют получить разрешённые и запрещённые зоны для фотонов с разной энергией. Другими словами, такой кристалл способен выполнять функцию оптического фильтра или рефлектора. При попадании на него фотона с длиной волны, которая не соответствует разрешённой зоне, фотон не может распространяться в кристалле и отражается обратно (в рефлектор). Миро Зееман, глава исследовательской группы фотонных материалов и приборов Делфтского технологического университета (Нидерланды), рассказал, что его группа разместила фотонные рефлекторы как в середине батареи, так и на её задней стороне. Постоянные переотражения света на рефлекторах приводят к световым колебаниям внутри кремния, многократно повышая вероятность конвертации фотонов света в электрический ток. Другая фотонно-кристаллическая схема базируется на использовании микрометровых структур кристаллического кремния, слой которого может быть затем легко соединён со слоем аморфного кремния. По словам Оунси Эль-Дейфа, исследователя из микроэлектронного центра IMEC в Леувене (Бельгия), теоретически такой фотонно-кристаллический слой способен увеличить эффективность абсорбции фотонов до 37 %.

Пока что фотовольтаика продолжает оставаться дорогой технологией. Более или менее дешёвой альтернативой традиционным полупроводниковым солнечным батареям являются фотоэлементы, в которых в качестве фотосенсибилизаторов используются красители – цветосенсибилизированные солнечные батареи (DSSC – Dye-Sensitized Solar Cell) или ячейки Гретцеля по имени их изобретателя.

К основным достоинствам солнечных батарей на красителях следует отнести их лёгкость, гибкость при формоустойчивости, простоту производства, низкую цену, возможность встраиваться в различные материалы и изделия, широкий выбор цвета, способность работать при невысокой освещённости и внутри помещения. Недостатки DSSC: экзотичность химического строения красителей, недостаточная долговечность, относительно невысокий КПД. Но тут следует сказать, что международная группа учёных смогла резко повысить эффективность цветосенсибилизированных солнечных батарей, заменив самую консервативную часть системы – йодсодержащий электролит – на комплекс кобальта с органическим лигандом.

Исследователям из университета Монаша (Австралия) и их коллегам из Ульмского университета (Германия) удалось значительно увеличить эффективность цветосенсибилизированной солнечной батареи p-типа, использующей электролит на основе комплекса кобальта с органическим лигандом. Обычная цветосенсибилизированная солнечная батарея n-типа использует краситель и фотоанод – положительный электрод, покрытый полупроводником электронного типа, таким как диоксид титана. Под лучами солнца молекулы красителя переходят в возбуждённое состояние и передают электроны с валентного HOMO-уровня полупроводнику. Молекулы электролита, свободно двигающиеся в этой системе между отдельными её участниками, восстанавливают краситель, передавая ему электроны с противоположного электрода. В случае же ячейки p-типа процесс протекает как бы в противоположную сторону: специальный краситель и полупроводник p-типа находятся теперь на фотокатоде. Активируемый светом краситель стягивает электроны с валентного уровня полупроводника р-типа, такого как оксид никеля, на свой самый нижний незанятый молекулярный уровень LUMO. Затем молекулы электролита забирают лишние электроны с красителя и передают их противоположному электроду.

Исследователи довели конверсию солнечного света в ячейке р-типа до рекордного значения 1,3 % при напряжении в разомкнутой цепи до 709 мВ. Они добились этого за счет замены традиционного электролита на основе йодидов и трийодидов на хорошо известный комплекс кобальта трис (этилендиамин) кобальт (II)/(III), в котором кобальт может переключаться между состояниями окисления +2 и +3. Основным достоинством такой системы назван значительно более низкий окислительно-восстановительный потенциал. В результате напряжение в разомкнутой цепи, представляющее собой критический параметр любой солнечной батареи, удвоилось.

Разработка новых эффективных синтетических красителей для цветосенсибилизированных солнечных батарей продолжается с большим или меньшим успехом. Но следует иметь в виду, что всегда в этом случае остаётся проблема токсичности производства синтетических красителей и дороговизна технологического процесса. В определённой степени эти недостатки синтетических красителей, как и в других областях применения, преодолеваются использованием природных красителей.

Изучение природных красителей в качестве фотосенсибилизаторов в DSSC-фотоэлементах началось в конце прошлого века и продолжается в настоящее время. Эти исследования отличаются исключительной широтой, поскольку природа предоставляет в этом отношении изумительные возможности – красители и пигменты необыкновенно богато представлены в природе, особенно в растительном мире, они содержатся практически во всех частях растений: в листьях, коре, корнях, ягодах, семенах. Окрашенные вещества в растительном мире выполняют широкий круг защитных функций, обусловленных прежде всего их фотоактивностью.

Поиск эффективных фотосенсибилизаторов среди природных красителей сосредоточился в основном на многочисленных окрашенных веществах растительного происхождения. Эффективность этих окрашенных веществ оценивается по отношению к комплексам рутения и цинка, которые являются рекордсменами по эффективности, но имеют недостатки в части токсичности и дороговизны. Фотоячейки на основе природных красителей растительного происхождения пока уступают по эффективности конверсии света солнечным батареям традиционного типа, кроме того они неустойчивы к солнечному свету, попросту говоря, выцветают: если кремниевые солнечные батареи эффективно работают более 10 лет, то фотоячейки на природных красителях – около года. Но солнечные батареи на основе природных красителей дешевле в производстве, у них ниже стоимость производства электроэнергии, они работают в более широком диапазоне спектра. И конечно, природные красители в фотонике более предпочтительны с позиций зелёных технологий, нежели синтетические. Но тут им надо жёстко конкурировать с привычными для нынешних инженеров материалами, в первую очередь по части эффективности преобразования света солнца в электричество. Мысль научная и инженерная на месте не стоит, и традиционные материалы обретают второе дыхание, когда глаз инженера и учёного что-то необычное подмечает, а голова воплощает подмеченное в новые технологии, материалы или устройства.

Физики из Великобритании смогли улучшить максимальный КПД солнечных батарей и почти в 17 раз уменьшить их вес, благодаря наблюдениям за тем, как бабочки разогревают свои крылья перед полётом, и изучению их внутренней структуры. «Наше исследование показало, что непритязательная капустница-белянка является не просто вредителем, угрожающим урожаю, но и настоящим экспертом в области сбора солнечной энергии и использования её для своих нужд», – рассказывает Ричард Френч-Констант из университета Эксетера (Великобритания). Френч-Констант, эксперт в области биологии бабочек, помог коллегам по университету под руководством Тапаса Маллика найти способы радикально улучшить конструкцию, КПД и снизить себестоимость солнечных батарей, опираясь на то, как устроены крылья белянок и других чешуекрылых насекомых. Как рассказывает биолог, бабочки, как и другие насекомые, не являются теплокровными существами, и они могут летать только тогда, когда двигательные мускулы их крыльев будут хорошо прогреты солнцем. Белянки привлекли коллективное внимание учёных по той причине, что этот вид насекомых просыпается и начинает летать гораздо раньше, чем другие виды бабочек, что в особенности заметно в облачные дни, когда солнце скрыто за тучами. Это наблюдение натолкнуло физиков на мысль, что крылья белянок могут быть устроены таким образом, что они лучше поглощают энергию солнечных лучей, чем у других насекомых. Руководствуясь этой идеей, Тапас Маллик и его коллеги проследили за тем, как свет отражается от крыльев бабочек и расположенных на них чешуек. Эти наблюдения раскрыли несколько любопытных вещей. К примеру, белянки держат крылья по отношению друг к другу под определённым углом, что позволяет особым отражательным чешуйкам на поверхности крыльев перенаправлять практически весь отражаемый свет на ту часть брюшка насекомого, где находятся двигательные мускулы. Используя эти чешуйки в качестве образца, физики смогли создать такое покрытие для солнечных батарей, которое заметно увеличило долю поглощаемого ими света и позволило уменьшить их толщину. Что интересно, подобного же эффекта можно добиться, просто прикрепив крылья белянок к поверхности солнечных батарей, не меняя и не обрабатывая их поверхности. Как заявили исследователи его коллеги, их версия солнечной батареи поглощает в среднем на 41-50 % больше света, чем классические фотоэлементы, и при этом она может обладать в 17 раз меньшей массой при аналогичной мощности. По словам исследователей, КПД их солнечных батарей и соотношение их массы и мощности можно будет сделать ещё более привлекательными, если им удастся улучшить свойства искусственных аналогов чешуек белянок. Такие солнечные батареи, как предполагают британские учёные, будут в первую очередь интересны не только энергетикам, но и разработчикам космических кораблей и зондов, где вес источника питания играет критическую роль.

Внесли свой вклад в развитие путей повышения эффективности солнечных электростанций и учёные из Технологического института Джорджии, которые провели исследования свойств углеродных нанотрубок. Результатом их работы стало создание выпрямляющих антенн, преобразовывающих свет непосредственно в постоянный электрический ток, что может стать революционным прорывом, который позволит увеличить эффективность систем солнечной энергетики. Современные технологии позволили исследователям вырастить миллиарды вертикально расположенных углеродных нанотрубок на кремниевом основании. Каждая из нанотрубок была покрыта защитной плёнкой из оксида алюминия, обладающего диэлектрическими свойствами, и весь этот «лес» был покрыт монолитным слоем прозрачного кальция. После чего на тонкий слой кальция был напылён слой алюминия, который выступал в качестве анода. Углеродные нанотрубки, заключённые в защитные оболочки, начинают колебаться, когда на них попадают фотоны света. Эти колебания производят высокочастотный переменный электрический ток, который пройдя через выпрямитель, превращается в постоянный ток. Быстродействие выпрямителей (туннельных диодов из углеродных нанотрубок) очень велико, они способны работать на частотах порядка ПетаГерц. Электроны, из которых состоит выпрямленный ток, туннелируются на внешний алюминиевый электрод, откуда этот ток можно направить в любом необходимом направлении. Пока эффективность работы выпрямляющей антенны оставляет желать лучшего: опытный образец способен преобразовать в электрический ток около одного процента от энергии падающего света. Однако учёные и инженеры, задействованные в этом проекте, уже имеют некоторые планы насчёт оптимизации структуры антенны, что открывает возможности поднять её эффективность до уровня, который позволит использовать их в устройствах получения электрической энергии.

Солнечные панели, расположенные на крышах, выглядят так, будто покрыты какой-то сеткой. Линии, которые мы видим, на самом деле представляют собой металлические контакты. Они необходимы для снятия электрического тока, генерируемого солнечными элементами, но при этом уменьшают количество солнечного света, попадающего на полупроводниковый слой. Хотя верхний слой металлических контактов относительно тонкий, он может покрывать 5-10 % площади поверхности солнечной панели. Это означает, что 5-10 % солнечного света, которые могли бы использоваться для выработки электроэнергии, отражаются.

Команда исследователей из Стэнфордского университета разработала способ сделать эти отражающие металлические контакты почти невидимыми для падающего света, что может существенно увеличить эффективность солнечных батарей. В ходе экспериментальной работы учёные поместили плёнку из золота толщиной 16 нанометров на плоский лист кремния. Золотая плёнка похожа на монолитную при взгляде невооружённым глазом, но на самом деле она содержит массив наноразмерных квадратных отверстий. После обработки золотой плёнки и кремния раствором плавиковой кислоты и перекиси водорода золотая плёнка погрузилась в кремниевую подложку, а наностолбцы из кремния вышли в отверстия в золотой плёнке и поднялись над её поверхностью. «Наши наностолбцы выступают в качестве воронок, захватывающих свет и направляющих его в кремниевую подложку через отверстия в металлической сетке», — пояснил смысл технологии ведущий автор исследования Виджай Нарасимхан. Результатом этого химического процесса стали так называемые потайные контакты высотой всего в 330 нанометров. После серии экспериментов и моделирований исследовательская группа дополнительно оптимизировала конструкцию солнечных панелей: теперь они могут покрыть металлом две трети поверхности с потерей отражательной способности всего в 3 %. Виджай Нарасимхан утверждает, что это увеличит эффективность обычного фотоэлемента на 20-22 %. Технология может использоваться не только с золотом, но и с серебром, платиной, никелем и другими металлами.и с другими полупроводниками, что позволит усовершенствовать фотодатчики, светодиоды, дисплеи и прозрачные батареи.

В том же Стэнфордском университете группа учёных под руководством И Цуя разработала технологию создания прозрачных и в то же время гибких литий-ионных батарей. Они «напечатали» электроды батареи при помощи микроканальной технологии – базового принципа работы современных струйных принтеров. Суть метода заключается в том, что вместо одного большого электрода используется сетка из тонких проводников толщиной в 30-40 микрон. Человеческий глаз не может зафиксировать такие небольшие объекты, и поэтому сетка будет казаться прозрачной. «Печать» батареи производится в несколько этапов. Основой для сетки электродов служит кремниевая форма, которая заливается кремний-органическим (силиконовым) гелем. Застывший гель снимают с формы и покрывают тонкой плёнкой золота. В результате образуются микроканалы, которые «заливают» раствором наночастиц из соединений лития, марганца и кобальта. После высыхания раствора золотая плёнка аккуратно снимается и производится сборка «сэндвича» из двух таких пластинок и вещества-электролита. Электрический «бутерброд» не только прозрачен, но и достаточно гибок – устройство потеряло только 5 % своей ёмкости после 100 свертываний в трубочку. Кроме того, данный источник питания можно многократно перезаряжать, как и обычный литий-ионный аккумулятор.

Другая стезя зелёных технологий, сулящая человечеству светлое и чистое будущее – транспорт, точнее электротранспорт, взамен нынешних автомобилей, теплоходов, самолётов и прочих средств передвижения на углеводородном ходу. В этой области первоочередные работы ведутся над созданием мощных лёгких недорогих автономных источников электричества.

В частности, продолжаются интенсивные исследования по повышению эффективности литий-ионных аккумуляторов. Новый материал, разработанный японской компанией Sumitomo Electric может существенно увеличить ёмкость литий-ионных аккумуляторов. Материал японцев называется Aluminum-Celmet, он имеет микропористую структуру, сформированную из множества сферических, связанных между собой, полостей. Компания Sumitomo Electric уже изготавливала микропористый материал из никеля и сплава хрома и никеля. За счёт пористости такой материал обладает высокоразвитой активной поверхностью и при достаточном его заполнении активным веществом может с высокой эффективностью использоваться в качестве электрода водородно-никелевой аккумуляторной батареи. Такому материалу легко придать любую форму, он замечательно поддаётся механической обработке. Используя технологический процесс, такой же, какой был использован для производства никелевого микропористого материала, компания Sumitomo Electric успешно произвела микропористый алюминиевый материал, который помимо развитой активной поверхности обладает ещё и небольшим весом, малым удельным электрическим сопротивлением и превосходной устойчивостью к коррозии. Все эти черты нового алюминиевого материала делают его весьма привлекательным для использования в литий-ионных аккумуляторных батареях электрических автомобилей, и везде, где происходят частые циклы зарядки-разряда. Представители Sumitomo Electric утверждают, что замена алюминиевой фольги, используемой в качестве положительного электрода литий-ионных аккумуляторов, новым микропористым материалом позволит значительно увеличить показатель количества энергии на единицу объёма аккумуляторных батарей. Это даст прирост ёмкости аккумуляторов в 1,5-3 раза, что увеличит дальность поездки электромобиля без подзарядки на 200 % или позволит сократить объем и вес аккумуляторных батарей на 2/3 при неизменной дальности передвижения. Помимо электромобилей, аккумуляторные батареи которых являются самым очевидным применением нового микропористого материала, этот материал может быть успешно использован и в аккумуляторных батареях, предназначенных для запасов энергии при солнечных и ветряных электростанциях.

Аналитики Wall Street Journal рассмотрели ситуацию в области перспективных аккумуляторов, благодаря которым сотовые телефоны смогут «жить» месяцами без зарядки, электромобили проезжать больше 800 км на одной подзарядке аккумуляторной батареи, а здания хранить достаточно энергии, получаемой от солнечных батарей или других альтернативных источников, чтобы отказаться от традиционной электроэнергетики.

Ими были выделены пять перспективных проектов, близких к коммерческой реализации:

— Батареи, в которых вместо графитовых анодов используются кремниевые нанопровода диаметром 100 нм и длиной в несколько микрон. Учёные из Южно-Калифорнийского университета доказали, что для воплощения данного проекта в коммерческий продукт не нужно пять или десять лет. Уже сейчас учёным удалось увеличить ёмкость батарей втрое и сократить время зарядки до 10 минут.

— Батареи, в которых используются покрытые серой пористые углеродные нанопровода с электролитическими добавками. Учёные из Стэнфордского университета разработали новый тип анодов из кремниевых нанопроводов. Изначально исследователи столкнулись с быстрым выходом батарей из строя по причине разрушения материала в результате расширения и сжатия во время перезарядки, но они нашли выход из ситуации путём покрытия пористых углеродных нанопроводов серой и улучшения другой составной Li-ion аккумуляторов – катода – электролитическими добавками. В результате ёмкость батарей удалось увеличить в четыре-пять раз.

— Литий-воздушные батареи. Компания IBM в сотрудничестве с исследователями, государственными лабораториями и лидерами в отрасли работает над проектом Project 500. Компания IBM называет данные батареи литий-воздушными. Их работу можно описать следующим образом: вместо оксидов металла в позитивном электроде используется углерод, вступающий в реакцию с воздухом для создания электрического тока. Использование углерода делает батареи данного типа заметно легче по сравнению с графитовыми аналогами. По словам IBM, данные батареи позволят поставить электромобили в один ряд с бензиновыми авто, хотя на автомобильной индустрии их применение не закончится. По словам IBM, первый стабильный и полностью рабочий прототип батареи данного типа появится уже в этом году.

— Батареи, в которых применены аноды из олова. Учёные из Вашингтонского университета разработали технологию, которая поможет утроить ёмкость Li-ion аккумуляторов, сократить время зарядки и продлить срок службы. Данная технология, которая была запатентована учёными под руководством профессора Гранта Нортона, описана следующим образом: графитовые электроды были заменены анодами из олова. Коммерческие Li-ion аккумуляторы, в которых применены аноды из олова, с виду не отличаются от графитовых аналогов и не требуют дополнительных затрат на внесение изменений в конструкции устройств.

— Батареи, в которых применены кристаллы магнетита из зубов моллюсков. Дэвид Кизайлус из Калифорнийского университета в Риверсайде установил, что идеальным материалом для создания дешёвых наноматериалов, которые смогут в разы повысить эффективность солнечных элементов и литий-ионных батарей, является самый твёрдый биоминерал на Земле – магнетит. Примечательно то, что он содержится в радуле панцирного моллюска (радула – аппарат, служащий для соскребания и измельчения пищи у моллюсков, состоит из хитиновой пластины с рядами хитиновых зубов). Разработки Дэвида Кизайлуса смогут обеспечить производство более дешёвых солнечных и литий-ионных батарей, на подзарядку которых будет уходить намного меньше времени. Дэвид Кизайлус выяснил, что моллюски из группы хитонов пользуются нанотехнологиями при создании новых зубов. И для этого им вовсе не нужны какие-то особые условия, а также много энергии. Учёный исследовал строение зубов у моллюска Cryptochiton stelleri, который является обычным жителем тихоокеанского побережья США. Он выяснил, что радулы этого существа имеют покрытие из магнетита (FeO•Fe2O3), который является одним из самых твёрдых биоминералов. Исследователь проследил, каким образом образуется это покрытие. Процесс формирования нового зуба происходит в три этапа: сначала гидратированный оксид железа осаждается на волокноподобных хитиновых органических «заготовках», потом из оксида образуется магнетит, а это, в свою очередь, приводит к изменению формы зуба, и он из весьма аморфного образования становится конусом с острой верхушкой. Самым интересным является то, что при образовании магнетита хитиновая основа изменяет свои свойства: рыхлый и пористый материал, связываясь с частичками покрытия, меняет свою структуру. Но это ещё не все – сам магнетит в процессе затвердевания зуба тоже упорядочивается.

Если подходить к аккумуляторным батареям со стороны зелёных технологий, то, альтернативой литий-ионным батареям являются литий-полимерные, которые появились в середине 1990-х годов. Особенно предпочтительны в экологическом разрезе гибкие полимерные батареи, элементы которых в 2009 году продемонстрировали исследователи немецкого Исследовательского института электронных наносистем Фраунгофера. Гибкие литий-полимерные батареи экологически значительно чище, дешевле в производстве и легче утилизируется в сравнении с конвенциональными литиевыми батареями, содержащими органические растворители.

Как было отмечено в начале данной главы, одна из целей «зелёных технологий» – исключение использования вредных синтетических химикатов в сельском хозяйстве, внедрение биотехнологий в земледелие, животноводство и переработку сельхозпродукции. Пришло время в рамках нашей книги рассказать про зелёные технологии в сельском хозяйстве.

Химизация сельского хозяйства. Борьба за урожайность сельскохозяйственных культур и повышение производительности животноводства, включая яйценоскость кур. Достижения очевидны. Провалы тоже: вырождение плодородия почв, вследствие передозировки удобрений в погоне за все более и более высокими урожаями; переизбыток химии в сельхозпродуктах; загрязнение окружающей среды, для которой рукотворные химические удобрения – инородные тела.

Решение проблемы найдено. И, как это обычно бывает, когда упираются в тупик, решение оказывается за спиной. В данном случае – возврат к природе: биотехнологии. Восстановление природного баланса микроорганизмов в почве, использование микроорганизмов для борьбы с болезнями сельхозкультур и домашних животных, применение микроорганизмов для повышения урожайности, яйценоскости, удоев и прочих потребностей гомо сапиенс в белках, жирах и углеводах.

Неоспоримым преимуществом применения в сельском хозяйстве биопрепаратов перед химпрепаратами является их экологическая чистота. Продукты, произведённые по биотехнологиям не содержат в себе неестественные химические соединения. В них нет никаких избытков нитратов, фосфатов и прочих «спутников» химизации сельского хозяйства. Кроме того, чёткое соблюдение технологии применения сельхозбиопрепаратов ведёт к повышению урожайности многих сельскохозяйственных культур. Но самым весомым аргументов для потребителей биопрепаратов может оказаться в конечном итоге дешевизна их применения: в расчёте на гектар вложенных средств биотехнологии в несколько раз дешевле химических технологий. Немаловажным является и косвенный эффект применения биопрепаратов: естественная микрофлора и нормализованный химический состав овощей и фруктов увеличивают их лежкость, что приводит к уменьшению потерь при хранении. Не смотря на кажущийся антагонизм химических и биологических сельхозпрепаратов, среди биопрепаратов есть такие, которые можно и даже нужно использовать вместе с химическими удобрениями, потому что они улучшают процесс усвояемости растениями химических соединений, что приводит и к повышению урожайности, и к улучшению структуры почв, и к уменьшению нормы внесения химических удобрений.

Среди сельхозбиопрепаратов можно выделить:

– биоудобрения, вносятся в почву перед посевом растений и во время их подкормки, обеспечивают повышение урожая сельскохозяйственных культур;

— биостимуляторы роста, используются во время роста растений, завязи плодов и созревания урожая;

— средства борьбы с болезнями и вредителями, применяются при предпосевной обработке семян и в период появления вредителей;

— средства компостирования растительного материала, используются для переработки растительных материалов, остающихся после уборки урожая и используется для обогащения почвы перед посадкой растений.

По мнению многих экспертов, будущее принадлежит биологическому земледелию, принцип действия которого – поддержании почвы в жизнеспособном, биологически активном состоянии. Основа биологического земледелия – это активация микрофауны почвы. Почвенно-микробиологические процессы протекают с желаемой интенсивностью лишь тогда, когда их обитатели находятся в активном состоянии.

В корнеобитаемом слое почвы всегда существует сообщество бактерий, грибов, других простейших микроорганизмов, сложившихся за миллионы лет. Как это ни парадоксально, но основная масса биосферы состоит из этих микроскопических существ. В процессе своей жизнедеятельности они создали и постоянно увеличивают плодородие почв планеты. Среди микроорганизмов, населяющих почву, есть полезные и вредные. В свою очередь, среди полезных микроорганизмов одного и того же вида существуют особи высокой метаболической активности. Такие уникумы и представляют практический интерес. Их выделяют в чистую культуру, изучают полезные свойства, затем комбинируют, создавая консорциумы естественных экологически чистых препаратов. Получаются сельхозбиопрепараты.

Химические средства защиты растений подавляют не только вредную, но и полезную микрофлору почвы. В результате замедляются процессы разложения и минерализации растительных остатков. Вынос питательных элементов превышает естественный прирост. Почвы быстро теряют своё плодородие.

Для предотвращения дальнейшего оскудения почв разрабатываются сельхозбиопрепараты с уникальными свойствами. К примеру, унификаторы состава почвы и стабилизаторы урожая. Первые приводят состав почвы к стандартному набору микроорганизмов для унификации процесса дальнейшей работы с почвами независимо от климатических зон. Вторые стабилизируют урожай в зависимости от конкретных погодных условий в данный момент в данном регионе: в случае засухи удерживают влагу в почве и поглощают её из атмосферы, в случае дождей поглощают избыток влаги из почвы и непосредственно с сельскохозяйственных культур. Применение биопрепаратов при компостировании растительных остатков позволяет получить органическое экологически чистое удобрение. Безотходные технологии переработки отходов бродильной, маслобойной, сахарной, мукомольной промышленности с использованием биопрепаратов превращают отходы из загрязняющего фактора в высококачественное органическое удобрение или сырьё для получения биологических средств защиты растений.

Ещё одна «профессия» сельхозбиопрепаратов – рекультивация земель. Вокруг современных крупных предприятий простираются обширные поля отчуждённых нарушенных земель, утративших плодородие. Такие экзотические ландшафты напоминают лунные пейзажи. Это могут быть золошламоотвалы комбинатов, отвалы шахтной добычи рудных и нерудных ископаемых, нефтяные загрязнения различного происхождения. Традиционная рекультивация предлагает следующие приёмы ускоренного возврата нарушенных земель: нанесение плодородного слоя, использование хозбытотходов с последующим запахиванием, внесение торфяной золы.

Биологическая рекультивация нарушенных земель даёт возможность в момент высева трав-эндемиков обеспечить их семена необходимым и достаточным количеством питательных веществ, нужными группами почвенных микроорганизмов, усваивающих азот из воздуха и обеспечивающих их питание. Фактически при прорастании семян, вокруг корешка формируется свой микроагроценоз. Предварительное и последующее внесение почвоулучшающих и агрополезных микроорганизмов, а также объединение между собой множества микроагроценозов развивающихся растений, приводит к образованию сплошного тонкого слоя гумуса – основы начала формирования нормального плодоносного слоя.

В результате применения биопрепаратов уже в первый год рекультивации удаётся получить хороший рост трав. При этом резко возрастает численность почвенной микрофлоры, особенно тех групп микроорганизмов, которые активно участвуют в первичном почвообразовании. В результате гумус образуется уже на втором году рекультивации. На третий год его содержание достигает 1,3-1,5%. Без применения биологических методов содержание гумуса к этому времени составляет 0,1%. Затраты на рекультивацию с помощью микроорганизмов, входящих в состав сельхозбиопрепаратов, снижаются в 5-8 раз по сравнению с традиционными методами.

Сельхозбиопрепараты применяются не только сельхозпроизводителями, но и городскими коммунальными службы: для улучшения условий обитания человека в мегаполисе используются агроприёмы с применением биопрепаратов, обеспечивающие восстановление плодородия почвы и ее биологической активности. В результате улучшаются декоративные свойства растений, возрастает приживаемость саженцев (в 5-7 раз). Снижается расход минеральных удобрений в 2-3 раза, а в отдельных случаях можно полностью отказаться от их применения, кроме того, подавляется фитопатогенная микрофлора.

Завершая разговор про зелёные технологии в формате сельхозбиопрепаратов необходимо подчеркнуть, что стоимость сельхозбиопрепаратов на порядок выше, чем стоимость тех же химических удобрений, но расход на два порядка меньше. В результате – экономия для сельхозпроизводителей на порядок по сравнению с химическими сельхозпрепаратами. Плюс экологическая чистота сельхозпродуктов. Технология весьма и весьма перспективная, как в сельскохозяйственном аспекте, так и в коммерческом плане, и завоёвывает все новые и новые позиции в сельском хозяйстве развитых стран.

Помимо биопрепаратов на волне инновационных технологий в сельское хозяйство пришли нанотехнологии, что вполне обосновано можно отнести к расширению сферы влияния «зелёных технологий», поскольку при том снижается нагрузка на сельскохозяйственные экосистемы.

Так, в растениеводстве применение нанопрепаратов в качестве микроудобрений обеспечивает повышение устойчивости к неблагоприятным погодным условиям и увеличение урожайности (в среднем в 1,5-2 раза) почти всех продовольственных (картофель, зерновые, овощные, плодово-ягодные) и технических (хлопок, лен) культур. Эффект здесь достигается благодаря более активному проникновению микроэлементов в растение за счёт наноразмера частиц и их нейтрального (в электрохимическом смысле) статуса, что задействовала американская компания «Nanotech Industries, Inc.» (Калифорния), запатентовав технологию предпосевной нанообработки семян на основе биологически активных многофункциональных материалов, которые были названы наночипсами. Практически не повышая стоимость обработки, технология от «Nanotech Industries, Inc.» до 50 % увеличивает урожайность как продовольственных, так и технических культур. Наночипсы представляют собой твёрдый пористый носитель (минеральный материал, глина, торф, полимер), поры которого содержат наночастицы биологически активных веществ. Эти вещества, улучшающие условия прорастания, развития и защиты растений от неблагоприятных воздействий, не только проникают в поры, но и удерживаются на поверхности носителя за счёт адгезии. Состав биологически активных наночипсов выбирают с учётом ожидаемых и усреднённых неблагоприятных условий.

По мнению учёных, применение нанотехнологий в сельском хозяйстве (при выращивании зерна, овощей, растений и животных) и на пищевых производствах (при переработке и упаковке) приведёт к рождению совершенно нового класса пищевых продуктов – нанопродуктов, которые со временем вытеснят с рынка генно-модифицированные продукты.

Рассказ про достижения зелёных технологий не может обойтись без генной инженерии, которая открывает перед человечеством пути решения проблемы истощения ресурсов и настраивает на разумное природопользование.

В этом плане исследователи из израильского Института Вейцмана научились менять структуру ДНК овощей и фруктов для улучшения их внешнего вида и вкуса. Основные характеристики плодов при этом не меняются. Метод израильских учёных наиболее точный из всех существующих на сегодняшний день и представляет большой интерес для садоводов. До сих пор любые изменения структуры ДНК плодов приносили непредсказуемый результат, так как помимо вкусовых качеств и внешнего вида они случайно затрагивали и другие признаки растений.

Новый метод построен на принципе гомологичной рекомбинации – способа устранения двух- или однонитевых повреждений ДНК с помощью повторяющегося копирования признаков, который используется клетками чаще всего. Генетики научились использовать этот процесс в собственных целях. Они выбирают необходимую черту и «обрезают» ДНК таким образом, чтобы при естественном восстановлении клетки сами подставили её в молекулы.

Для показательного эксперимента учёные попытались изменить цвет томатов. Так результат исследования можно было без труда отследить визуально. В результате гомологичная рекомбинация произошла в 14% случаев, что считается высоким показателем точности.

«Теперь, когда мы показали, что преднамеренно индуцированная гомологичная рекомбинация происходит с такой высокой частотой, садоводы могут начать использовать этот механизм. Метод позволяет не просто редактировать, а переписывать геном растения, чтобы комбинировать необходимые свойства, включая вкус, размер, урожайность и устойчивость к болезням», – отметил профессор Авраам Леви, под руководством которого проходило исследование.

И немного про «голубую экономику». В последнее десятилетие динамично развивается мощное научно-практическое направление «The Blue Economy» («голубая экономика» или экономика морепродуктов). Этому направлению посвящены сотни публикаций и патентов, разработаны новые технологии, созданы сотни научно-производственных компаний в разных странах.

Одним из очень важных направлений «голубой экономики» является глубокая промышленная переработка водорослей из морских, речных, озёрных и искусственных водоёмов с целью получения широкого ассортимента ценных продуктов. Одними из самых массовых продуктов переработки водорослей являются волокна на основе альгината (альгинат – основное вещество водорослей, полисахарид близкий по химическому строению к целлюлозе). Однако, как оказалось в последние годы, из водорослей можно производить разные виды биотоплива и простейшие органические вещества как сырье для более сложных продуктов: масел, биологически активных веществ, лекарств. При этом не надо бурить скважины и забираться в отдалённые уголки планеты, крушить арктический шельф – достаточно водоема под водоросли и солнечного света для их питания и размножения.

Наиболее перспективной с точки зрения выращивания и производства различных полезных и ценных продуктов признается вид водорослей Spirulina. Эти водоросли легко выращиваются, дают большой урожай, содержат значительное количество потенциального полезного сырья. Самым прибыльным с учётом конъюнктуры на мировом рынке потребления топлива и реально реализуемым направлением признается выращивание водорослей для производства биотоплива и производство из водорослей различных видов биотоплива. При этом из одной тонны влажной биомассы водорослей можно получить до двухсот литров масла, из которого путём несложных технологий можно будет получать биодизель и ряд ценных органических веществ: триглицериды, жирные кислоты, липиды, углеводороды с длинной цепочкой, углеводы (сахара, крахмал, альгинат), этанол и другие спирты, целлюлозу, другие ценные продукты.

Мало вырастить водоросли и собрать, их ещё надо переработать в нужный продукт. К примеру, бурые водоросли обычно игнорируются как источник горючего, поскольку содержащиеся в них сахара трудно поддаются ферментации. Но исследователи из калифорнийской компании Bio Architecture Lab «научили» бактерии напрямую конвертировать бурые водоросли в этанол, притом с хорошей эффективностью.

Биологи из Bio Architecture Lab воспользовались собственным открытием. Они идентифицировали у вибриона Vibrio splendidus солидный фрагмент ДНК длиной 36 тысяч пар оснований, который отвечает за синтез ферментов, необходимых для транспорта и метаболизма альгинатных олигомеров. Новые ферменты помогают преобразованному микробу переправлять разрозненные кусочки бывшего полисахарида внутрь клетки. Другие гены от Vibrio Splendidus заставляют клетку выполнить целую цепь химических реакций. И как финальный штрих – ещё заимствованные гены, на этот раз от бактерии Zymomonas mobilis. Они окончательно превращают промежуточные вещества в этанол.

Авторы работы сообщают, что выход спирта по весу составил 0,281 от массы сухих водорослей и что это эквивалентно примерно 80% от теоретически максимального производства этанола из сахара, содержащегося в водорослях. Они отмечают, что бурые водоросли не содержат лигнин, а потому их сахара могут быть освобождены при помощи простой перемолки биомассы. Ещё плюс – культивирование водорослей не требует пахотных земель, удобрений, пресной воды и не ставит людей перед дилеммой – отдавать выращенные растения на топливо или использовать как пищу. Исходя из возможного темпа роста водорослей и КПД преобразования их в жидкое топливо, авторы технологии оценивают возможную производительность морских ферм как 19 тысяч литров этанола с гектара в год. А это примерно вдвое больше, чем соответствующий показатель для сахарного тростника, и в 5 раз выше, чем кукурузы. В перспективе это достижение позволит перенести задачу получения сырья для биотоплива от наземных ферм к морским.

Эксперты отмечают высокую экономичность получения биотоплива из водорослей в сравнении с другими способами получения биотоплива из растений (рапс, кукуруза, пальмовые плоды и прочее) и предсказывают резкий рост использования водорослей в ближайшие годы. Специалисты оценивают преимущества биотоплива из водорослей по следующим соображениям:

— топливо потенциально продуцируется прямо в водорослях с помощью солнечной энергии;

— не нужно занимать площади, занятые под выращивание сельхозкультур;

— процесс производства легко масштабируется;

— цены готовой продукции сравнимы с ценами на обычное топливо;

— экологическая чистота производства.

В общем, в мире сформировалось мощное перспективное научно-техническое движение – «голубая революция» – эффективное использование растений и животных морей, рек и озёр в различных важнейших направлениях деятельности человека: от изучения механизма функционирования растений и животных водоёмов различного вида до создания новых технологий и продуктов на этой основе (бионика) и «одомашнивание» выращивания водных растений – водорослей для производства из них биотоплива, волокон, углеводов, полисахаридов, продуктов питания, пищевых добавок, лекарств, других ценных продуктов. При этом «голубые технологии» экономичны (солнечная энергия прямо трансформируется в биотопливо и другие ценные продукты) и экологичны (не занимают земельные угодья, не увеличивают содержание углекислого газа в атмосфере).

В конце нашего небольшого обзора достижений зелёных технологий немного экзотики. Зелёные технологии – зеленее не придумаешь.

Исследователи из университета Кливленда (Case Western Reserve University in Cleveland) успешно превратили насекомых, обычных тараканов, в живые топливные элементы, внедрив в их тело электроды. В конечном счёте, это позволит таким насекомым переносить на себе миниатюрное контрольное и передающее оборудование, которое приводится в действие электричеством, вырабатываем телами этих насекомых. Те продукты, которые употребляют люди, расщепляются до уровня глюкозы, которая переносится с кровью и является топливом для мускулатуры, мозга и других тканей. Еда насекомых расщепляется до более простого вида сахара – трегалозы. Внедрённый в тело насекомого положительный электрод, анод, изготовленный из материала-катализатора, расщепляет трегалозу в крови насекомых на более простые соединения, при этой электрохимической реакции вырабатываются свободные электроны, который создают электрический потенциал между анодом и катодом, вторым электродом. «Такой биотопливный элемент использует те продукты, которыми питается само насекомое», – рассказал Даниэль Шерсон, ученый-химик из университета Кливленда. Тараканы с внедрёнными электродами, т.е. превращённые в биологически-активные элементы, вели себя точно так же, как и до имплантации электродов, только их аппетит возрастал пропорционально количеству снимаемой с электродов энергии. Каждый таракан смог вырабатывать электрический потенциал напряжением 0,2 В, это эквивалентно одной десятой потенциала батарейки ААА. Но этой энергии уже достаточно, чтобы передать информацию на расстояние пять сантиметров беспроводным методом.

В попытке найти экологическую альтернативу для создания электрических батарей исследователи из Калифорнийского университета в Риверсайде разработали батарею с использованием шампиньонов двуспоровых. Как утверждают учёные, их детище сможет не просто снизить экономическую и экологическую стоимость при производстве батарей, но и привести к созданию аккумуляторов, мощность которых не падает, а наоборот, возрастает с течением времени. Инновационные батареи состоят из трёх основных элементов: отрицательный полюс (катод), положительный полюс (анод) и твёрдый или жидкий разделитель (электролит). В качестве анода в литиево-ионных батареях используется синтетический графит, однако этот материал требует использования агрессивных химических веществ для очистки и подготовки. Эти процессы не просто дороги сами по себе. Их побочным продуктом являются опасные отходы, вредящие окружающей среде. Учёные решили использовать грибы шампиньоны как заменитель для графита по двум причинам. Во-первых, более ранние исследования показали, что эти грибы – очень пористые, а это свойство важно при создании аккумулятора (большее количество отверстий позволяет запасать и передавать больше энергии, что повышает производительность). Во-вторых, они содержат много солей калия, а значит, могут привести к созданию батарей, активных в течение долгого времени, по сути, даже повышающих собственную мощность со временем. Учёные обнаружили, что, кожица со шляпки двуспоровых шампиньонов при нагреве до 500 градусов Цельсия превращается в структуру из естественных углеродных нанолент. После нагрева до 1100 градусов она превращается в пористую сеть углеродных нанолент (материал с большой площадью поверхности, пригодный для хранения большего количества энергии). Исследователи говорят, что, если дальше оптимизировать процесс, углеродные аноды, полученные из грибов, могут стать достойной альтернативой обычным графитовым анодам. «С подобными материалами аккумуляторы мобильных телефонов будущего будут не разряжаться быстрее со временем, а напротив, начнут дольше держать заряд из-за активизации пор внутри углеродных структур», – комментирует Бреннан Кэмпбелл, аспирант Калифорнийского университета в Риверсайде и один из соавторов работы.

Люк Боузер, работающий в университете британского города Лидса, вместе с коллегами задумался над тем, можно ли использовать белки, создаваемые для укрепления скелетов животных, при выращивании новых деталей электроники. Его команда в качестве основы для своей работы выбрала силикатеины – белки, строящие скелеты морских губок. Используя методы размножения ДНК, учёные вырастили миллионы мутаций ДНК, кодирующих силикатеины. Мутации возникали естественным путём во время процесса роста, так что в итоге получилось множество вариантов белков. А это привело к тому, что некоторые силикатеины приобрели способность строить разнообразные минеральные кристаллические структуры. Затем исследователи прикрепили ДНК к миниатюрным полистирольным шарикам и поместили их в раствор с кремнийсодержащим соединением. Группа Боузера стремилась отобрать белки, способные брать из раствора кремний и строить вокруг шариков кремниевые структуры, одновременно обеспечивая доступ к ДНК на поверхности шарика, ибо им легче было собирать и размножать те ДНК, которые создавали самые многообещающие кристаллы диоксида кремния. И каков конечный продукт? – Белки, создающие кремниевые структуры, каких не знает природа. При дальнейшем развитии технологий можно добиться того, чтобы выращивать кристаллические структуры кремния нужного размера и формы для применения в технике.

Исследователи из Университета Техаса в Остине создали новый экологически чистый антипирен из вещества, которое содержится в морских мидиях. Существующие антипирены часто являются токсичными и могут накапливаться в течение долгого времени в окружающей среде и живых организмах, включая человека. Огнезащитные добавки включаются в состав современной мебели, автомобильной обивки и многих других потребительских товаров. С течением времени эти химикаты могут выделять токсичные вещества в окружающую среду и оказывать вредное воздействие на здоровье людей. Исследователи обнаружили, что синтетическое покрытие из полидопамина, полученного из допамина, обладает весьма эффективными огнезащитными свойствами. Исследователи считают, что их покрытие можно использовать вместо обычных антипиренов. «Поскольку полидопамин является природным и уже присутствует в животных, то вопрос о токсичности сразу уходит, – сказал руководитель исследования Кристофер Эллисон. – Мы считаем, что полидопамин может легко заменить антипирены, используемые во многих продуктах, что сделает их более безопасными для детей и взрослых». Покрытие из полидопамина наносили на внутреннюю и наружную поверхности пенополиуретана путём простого погружения в водный раствор допамина в течение нескольких дней. Было обнаружено, что применение покрытия из полидопамина для пенопластов привело к значительному снижению интенсивности пламени. Возможность огнезащитных покрытий из полидопамина по уменьшению интенсивности пожара на 20% лучше, чем у существующих антипиренов, при этом необходимо относительно малое количество полиподамина для защиты горючих материалов от огня.

Учёные из Кардиффского университета (Великобритания) придумали инновационный способ добычи водорода из обычной овсяницы, что может сильно повлиять на сферу энергетики в целом. Водород уже давно признан чрезвычайно перспективным альтернативным видом топлива: обладая высоким содержанием энергии, он не выделяет парниковых газов при сгорании. Однако процесс получения этого топлива сам по себе не является экологически чистым, к тому же он дорогостоящий, так как при этом расходуются огромные запасы природного газа и угля. Данные факты заставляют учёных придумывать альтернативные и более безопасные способы получения водорода. Одно из самых перспективных исследований ведётся учёными из Кардиффского университета в Великобритании, которые сотрудничают с исследователями из Королевского университета в Белфасте. В ходе своего исследования учёные разрабатывают эффективный способ получения водорода из целлюлозы с помощью солнечного света и катализатора. В экспериментах были использованы три металлических катализатора на основе палладия, золота и никеля – последний представляет для исследователей наи-больший интерес из-за его распространённости в природе и ценовой доступности. Команда смешала три катализатора с целлюлозой в специальной колбе и поместила систему под настольную лампу, при этом состав смеси измерялся каждые 30 минут. После этого эксперимент повторили с использованием обычной травы. В результате исследователям удалось убедиться, что данный процесс действительно позволяет получать значительное количество водорода. По словам исследователей, использование дешёвого катализатора в виде никеля и обычной травы для получения водорода делает из их исследования по-настоящему инновационными.

Химики из университета Бата синтезировали биопластик, используя вещество, которое содержится в смоле хвойных деревьев. Исследователи надеются, что материал, полученный целиком из возобновляемых ресурсов, будет использоваться как упаковка для пищевых продуктов, а также для создания медицинских имплантатов. Сырьём для производства экологичных материалов, таких как полилактид (полимолочная кислота), служат возобновляемые ресурсы: кукуруза и сахарный тростник. Помимо этого достоинства, полилактиды также обладают хорошей биосовместимостью, что позволяет использовать их в качестве медицинских имплантатов. Однако одним из существенных недостатков полимеров молочной кислоты является их низкая прочность и эластичность. Чтобы сделать полилактид более гибким, к нему добавляют капролактон, получаемый из нефти. Такая добавка делает биопластик не полностью возобновляемым материалом. Теперь химики из Англии заменили капролактон на пинен – вещество циклического строения, относящееся к классу терпенов, которое получают из смолы хвойных деревьев. Именно пинен придаёт ели её характерный аромат. Их работа поможет производить биопластмассу полностью из возобновляемых ресурсов. Пока учёные получили всего несколько граммов экологичного материала, однако химики работают над созданием методики, которая позволит перенести синтез биопластика из лаборатории в масштабное производство.

Исследователи из Германии предложили очень перспективный метод для создания пены из древесных частиц. Полученную вспененную древесину можно использовать точно так же, как и обычные пенопласты, но они представляют собой полностью натуральный продукт из устойчивого сырья. Другим преимущество является то, что в отличие от обычных вспененных продуктов, вспененная древесина может быть с лёгкостью переработана после использования. Например, если брать её в качестве упаковочного материала, то после использования она просто перерабатывается как макулатура. Новый материал имеет настолько большой потенциал, что выиграл премию GreenTec Awards 2015 в категории «Строительство и жизнь». Для производства такой пены сначала очень мелко измельчают древесину, пока крошечные частицы дерева не превратятся в вязкую массу. Затем они добавляют к этой суспензии газ, чтобы вспенить её, и дают затвердеть. Процессу отверждения способствуют природные вещества, содержащиеся в самой древесине. Полученное вспененное дерево представляет собой лёгкий материал, из которого могут быть сформированы жёсткие пластины или гибкие листы. Как и другие продукты на основе древесины, они могут быть легко распилены или разрезаны для получения желаемых размеров. Древесная пена является идеальным материалом для теплоизоляции дома, где необходимо сохранить тепло внутри и создать уютную обстановку для обитателей здания. Некоторые альтернативные древесные теплоизоляционные материалы, такие как древесно-волокнистые плиты, менее устойчивы к деформации, чем пенопласт, поскольку имеют тенденцию постепенно разрушаться под действием собственного веса из-за накопления влаги, особенно в середине. А вспененное дерево в этом отношении ведёт себя как и обычные пенопласты. Учёные проанализировали свою разработку в соответствии с действующими стандартами для изоляционных материалов и получили весьма обнадёживающие результаты, причём не только с точки зрения их теплоизоляционных свойств, но и механических, и гидродинамических свойств. Другими словами, вспененная древесина изолирует тепло, также как обычные пенопласты, но устойчиво к давлению и влажности.

В США доктор Малькольм Браун, профессор из Университета Техаса, представил революционный способ «выращивания» наноцеллюлозы, который, по его мнению, является одним из самых важных открытий в биологии растений. Наноцеллюлоза – материал, представляющий собой набор наноразмерных волокон целлюлозы с высоким отношением длины к диаметру. Типичный диаметр такого волокна 5-20 нм, а длина варьируется от 10 нм до нескольких микрон. Материал обладает свойством псевдопластичности, т.е. является вязким при обычных условиях и ведёт себя как жидкость при физическом воздействии (тряске, взбалтывании и т. п.). Удивительные свойства наноцеллюлозы позволяют создавать на её основе сверхлёгкие и сверхпрочные материалы, такие, например, как аэрогель. Предметом исследования доктора Брауна были чайный гриб (симбиоз дрожжевых грибков и уксусно-кислых бактерий) и его бактерии, которые способны производить наноцеллюлозу в культурной среде. Но для производства таким способом в промышленных масштабах потребовалось бы большое количество сахара, питательных веществ и огромные бродильные чаны. Метод же профессора Брауна гораздо более эффективен и экологически чист. Единственное, что для него нужно – это вода, солнечный свет и водоросли. Учёный «внедрил» выделенные из ацетобактерий гены в сине-зелёные водоросли, заставив их производить наноцеллюлозу. Потенциально, такой способ позволит создавать целые органические заводы по производству материала в промышленных масштабах. Появятся фермы, производящие наноцеллюлозу в больших количествах и недорого, да ещё и с поглощением углекислого газа из атмосферы. Тогда наноцеллюлоза может стать сырьём для производства биотоплива, и станут экономически эффективны многие области её применения.

Группа биохимиков под руководством Джеймса Ляо из университета штата Калифорния в Лос-Анжелесе создала особый штамм бактерий из рода Ralstonia, которые поглощают углекислый газ и перерабатывают его в бутанол и другие простые спирты, которые можно использовать в качестве биотоплива. Эта бацилла относится к особому классу бактерий, которые могут питаться водородом и не нуждаются в кислороде или в других особых условиях среды для выживания. Ферменты из семейства гидрогеназ – окислителей водорода – являются ключевым элементом микроба для его выживания. Джеймс Ляо и его коллеги вставили в геном Ralstonia eutropha несколько генов, заставляющих ее превращать излишки энергии в бутанол и другие органические спирты. Осталось найти надёжный и безопасный источник водорода – использование чистого водорода было бы крайне опасным занятием, так как любая утечка может обернуться мощнейшим взрывом. Учёные воспользовались тем, что бактерия умеет использовать молекулы муравьиной кислоты в качестве источника водорода. Ralstonia eutropha поглощает молекулы кислоты, расщепляет её на молекулу водорода и углекислого газа и использует первую как «топливо», а вторую – в качестве «стройматериалов» клетки. При этом муравьиную кислоту достаточно легко получить, если одновременно пропускать через воду углекислый газ и электрический ток. Биохимики проверили работу бактериальной «мануфактуры», поместив колонию бактерий в сосуд, через который пропускался электрический ток и углекислый газ. К разочарованию учёных, ток блокировал рост колонии, так как в жидкости постоянно появлялись токсичные для микробов пероксид водорода, оксид азота и атомарный кислород. Исследователи решили эту проблему, обернув анод тонким слоем пористой керамики. Керамическая «чаша» действовала как частично проницаемая мембрана, пропускающая молекулы муравьиной кислоты и препятствующая «побегу» токсичных соединений. По оценке руководителя проекта, такая конструкция позволяет колонии расти, вырабатывает приемлемое количество биотоплива и может применяться для получения биотоплива из электричества, вырабатываемого солнечными батареями, ветряками и другими возобновляемыми источниками энергии.

С чего начинается изготовление любой деревянной мебели? Обычно дерево срубают, а уж потом думают, что из него сделать: табуретку, детский стульчик, кухонный стол или шкаф. Традиционный подход к этому вопросу буквально перевернул с точностью до наоборот мебельных дел мастер из Великобритании Гэвин Манро. Его мебель сначала растёт, как задумано мастером в виде стола, лампы или кресла, а после того, как она достигнет нужных размеров, её срубают. Фантастика? Вовсе нет! Идея «живой мебели» пришла к Манро, когда он наблюдал за маминым деревцем бонсай, а став взрослым Гэвин создал целую компанию по выращиванию мебели – Full Grown. За последние несколько лет они «вырастили» более 300 «живых» ивовых стульев, буквально «уговаривая» их расти так, как задумал дизайнер. Вся «выращенная» Манро мебель монолитна, она не требует «распила на детали», склеивания или сколачивания гвоздями. Сначала высаживают ивовые деревья, обильно поливаемые в процессе роста, при этом молодой саженец ивы всего за несколько недель принимает заданную форму будущей мебели и направление её роста. Следующий этап более долгий, он занимает 2-3 года, пока дерево не укрепится и до 6 лет, пока форма не станет устойчивой. Конечно, чтобы получить эксклюзивный ивовый или дубовый стул, возможно, придётся ждать несколько лет, но, во-первых, поля компании уже полны как новых заготовок, так и практически готовых к выходу в свет изделий, а во-вторых, тем они и ценнее, что должны быть выдержаны, как хороший коньяк. В 2008 году под производство Гэвин Манро отвел участок площадью 1 гектар в английском городке Уирксворд. Сейчас там растёт примерно 400 стульев, столов и абажуров. Технология выращивания мебели поистине удивительна! Ведь значительную часть работы выполняет природа, мастер лишь корректирует и доводит до блеска каждое изделие. Команда мебельщиков-садоводов занимается выращиванием деревьев вокруг рам и каркасов, превращающихся в стулья, столики, торшеры, светильники, люстры и рамы для зеркал. Проект был запущен ещё 10 лет назад и этой осенью будет собран первый значительный урожай зеркал, люстр, светильников, а в 2016 году Манро планирует собрать новый «урожай» из полусотни новых столов и стульев. Пока среди сырья для его новаторской мебели лидирует ива, но уже ведутся эксперименты по созданию живой мебели из орешника, ясеня, клёна, платана, дикой яблони, красного и скального дуба. Да и модельный ряд вскоре может значительно вырасти, Гэвин Манро планирует вырастить комоды и книжные полки. Что касается стоимости такой мебели, то она «кусается» – примерно 2500 фунтов стерлингов, а светильники и рамы около1500 фунтов за экземпляр.

К чему последняя ненаучная экзотика на грани делового помешательства? – Во-первых, как пример нетривиального подхода к решению тривиальной задачи. Во-вторых, как образец приложения наблюдений за окружающим миром к производственному процессу. Мозг учёного так заточен, что замечает то, мимо чего обыватели проходят, головы совсем не оборачивая: оно уже есть среди окружающего мира, остаётся только всем остальным показать. Голова инженера, так повёрнута, что примечает то, что можно к делу приложить, мозги особо не напрягая: оно уже изобретено природой или другими, остаётся только вставить в своё изделие или технологию.

В любом деле, в любой информации можно найти рациональные зерна, коли с головой к тому делу или информации подойти. Мозг учёного так устроен, что он во всем ищет ответы на свои вопросы, если тот всерьёз голову над какой-то проблемой ломает. Даже во сне. Даже при чтении ерунды всякой, когда заряд творца на решение вдруг так высветит проблему, что она совершенно в ином свете предстанет, а выход из тупика рядом окажется. Только немного сбоку. Не в том направлении, куда научная рутина затянула. Научные изыскания часто идут параллельными путями. Над одной и той же проблемой бьются пытливые умы сразу в нескольких институтах и лабораториях. Особенно если проблема востребована обществом. Бьются, не ведая о проведении аналогичных работ. Не потому что знать ничего не хотят о том, что в мире творится, а потому что некогда. Нет времени по той же паутине лазить. А в ней много чего найти можно. В том числе и информацию о других работах, которую в своей работе задействовать можно. И как информацию к размышлению, и как вести о коллегах, и как аргументацию в отстаивании своего проекта перед руководством – раз другие по этой тематике работают, значит, тема востребована и надо активизировать свои исследования в этом направлении, чтобы на обочине не оказаться. Для того и представлена вышеприведённая информация, представляющая собой подборку вестей с полей интернета по тематике данной главы. И задача обзора – не столько просвещать, сколько мозги включать. Не в плане, что надо, а что не надо исследовать, а в расчёте на использование в чьей-то работе для более быстрого выхода на конечную цель, без отвлечения на решение уже решённых задач.

Подытоживая все сказанное в этой главе, стоит ещё раз повторить, что одним из важнейших направлений современного развития научно-технического прогресса является смена парадигмы: от экстенсивного к устойчивому развитию с акцентом на максимальное сохранение природы и её самого активного члена – человека, деструктивная активность которого по отношению к природе достигла критического уровня. Антропогенный фактор в нарушении экобаланса со всеми вытекающими из этого негативными последствиями стал доминирующим. В связи с этим в развитых странах общество и правительства ставят задачу и принимают программы национального и интернационального характера по защите окружающей среды. Пришла пора спасать планету от неразумной избыточной эксплуатации её ресурсов человеком. В ответ на этот вызов времени в конце XX века сформировалось и продолжает развиваться в настоящий момент новое направление науки и практики под названием «зелёные технологии», охватывающее практически все сферы деятельности человека.

В перспективе ожидается дальнейшее ускоренное развитие широкого спектра экологически чистых технологий. К наиболее острым глобальным экологическим проблемам сегодня относят утрату биоразнообразия, изменение климата, доступ к качественной воде и другим ресурсам, поэтому можно предположить, что развитие технологий будет направлено на их решение. При этом «зелёные технологии» не сводятся к частным случаям. «Зелёные технологии» – это и экологически безопасное сырье, и экологически безопасные конечные продукты, и экологически безопасные технологии производства.

Медицина

В главе, посвящённой одному из последних достижений инновационных систем – 3D-печати – уже рассказывалось о приложении этого новейшего направления в науке и технике к древнейшей сфере знаний и практики – медицине. Как было отмечено, нет ничего важнее для человека, чем здоровье, достижения в медицине касаются всех: и тех, с чьей помощью они на свет появляются – учёных с инженерами, и тех, кто ими повсеместно пользуется – лекарей с обывателями. Вряд ли найдётся во всем цивилизованном мире человек, который на протяжении всей своей жизни, и неоднократно, не прибегал к медицинским услугам. Поэтому стоит особо остановиться на достижениях инновационных систем в области медицины.

Начать, пожалуй, следует с прорывных разработок в области медицины, ставших возможными лишь благодаря последним открытиям учёных и изобретениям инженеров, без которых медики лишь мечтать могли о полноценном лечении, а пациенты даже и не помышляли. К примеру, об операции на головном мозге без трепанации черепа.

В Израиле в медцентре Рамбам впервые в истории медицины страны осуществили операцию на головном мозге человека, посредством направленных ультразвуковых волн под контролем магнитно-резонансного томографа. Такое вмешательство стало возможным с помощью инновационной медицинской технологии, разработанной израильской научной компанией «Инсайтек», которая до этого провела свыше ста процедур по своей технологии в Америке, Южной Корее и Швеции. Новая технология делает ультразвуковые волны эффективным медицинским инструментом, способным заменить нож хирурга. Основная инновация данного лечения заключается в том, что оно проводится без наркоза, без необходимости вскрывать череп пациента, без опасности инфицирования пациента, и не требует вообще никакого реабилитационного периода. Пациент может встать на ноги непосредственно после завершения процедуры. «Операция без операции» в медцентре Рамбам была проведена для семидесятитрёхлетнего жителя севера страны, последние пятнадцать лет страдавшего от сильнейшего тремора тела. По прибытии в медицинский центр, правая часть тела пациента и в особенности правая рука, сильно дрожала. Пациент не мог писать, удерживать в руках чашку кофе, производить прочие элементарные действия.

«Операция без операции», которая излечила пациента, стала возможной благодаря объединённым усилиям компании «Инсайтек» и медицинского центра Рам-бам. В операции принимали участие медики из отделения нейрохирургии, директором которого является профессор Менаше Заруар, отделения лечения болезни Паркинсона, директор которого доктор Илана Шлезингер, и нейрорадиологического отделения, под руководством профессора Дорит Гольдшар. «Операция без операции» началась в девять утра и продолжалась два часа. По завершении процедуры пациент сам легко встал с кровати. Он двигался без малейших затруднений и великолепно себя чувствовал. Он заявил врачам, что ощущает себя заново родившимся.

Хирургам, проводящим операции на мозге, давно известно, что такие заболевания, как болезнь Паркинсона, тремор или невропатические боли лечатся удалением крошечных областей мозга, которые заболевание вынуждает к чрезмерному функционированию. Идея, которая лежит в основе метода «операции без операции» компании «Инсайтек», заключается в слиянии двух технологий. Как давно известно, если направленные ультразвуковые волны касаются тканей организма, с их помощью удаётся удалять или выжигать крошечные кусочки ткани, включая и ткани головного мозга. А чтобы направить данные волны в нужную точку, в компании «Инсайтек» использовали технологию МРТ позволяющую получить подробное, трёхмерное изображение мозга пациента в реальном времени и указывающую на местное повышение температуры в тканях мозга, соединив её с аппаратом, который выглядит как шлем и выделяет ультразвуковые волны высокой мощности, направленные на одну крошечную точку в мозге пациента. Волны направляются в нужную точку с точностью до десятой доли миллиметра.

Сам пациент в ходе процедуры неподвижно лежит в аппарате МРТ, а оперирующий нейрохирург находится за стеклянным окном в пяти метрах от пациента. Хирург с помощью компьютерной мыши приводит в действие прибор-шлем, который начинает испускать ультразвуковые волны, направленные в точку, которая определяется за несколько секунд до этого с помощью МРТ. Пациент все время процедуры находится в полном сознании, каждые несколько минут врачи справляются у него о его самочувствии. Нейрохирург периодически увеличивает интенсивность ультразвуковых волн, а в перерывах между минисеансами излучения неврологи отслеживают состояние здоровья пациента, осматривают его, проверяют его рефлексы и возможность функционирования. Уже через десять минут после начала процедуры наблюдается значительное улучшение. Например, пациент, который не был способен начертить прямую линию, вполне справляется с движениями карандаша.

Настоящее медицинское чудо произошло в госпитале медицинского центра Кармель в Хайфе. После сложнейшей десятичасовой операции сердце 28-летнего молодого человека, которое два года до этого из-за хронической аритмии было заменено на искусственное, вернулось на своё прежнее место. Все это время сердце хранилось в местной лаборатории под наблюдением специалистов отделения сердечной хирургии, которым руководит доктор Офир Амир. До проведения операции по имплантации искусственного сердца, родное сердце пациента перекачивало лишь 15% общего объёма необходимой крови. На удалённом сердце были проведены эксперименты по его восстановлению с последующей эхографией – неинвазивным исследованием процессов с помощью ультразвуковых волн. И оказалось – сердце, прожившее два года вне организма его обладателя, находится в полном порядке и готово к работе. Врачи предложили пациенту вернуть его родное сердце на своё место – сделать то, чего до сих пор никто в мире не делал.

Успех израильских врачей открывает невероятно важную страницу в медицине, в частности, в трансплантации органов. Сегодня этот вид медицины страдает, во-первых, от того, что трудно получить орган, который должен подходить по многим параметрам, во-вторых, велик риск того, что орган не подойдёт. Если разработать методику восстановления работоспособности органа вне организма, то появится возможность временной трансплантации родного для больного органа с его возвратом на прежнее место после «ремонта».

Весьма серьёзное открытие в области трансплантологии сделали исследователи Кембриджского университета, и без 3D-принтера тут не обошлось. Используя лабораторных крыс, учёные впервые напечатали активные клетки центральной нервной системы. Под руководством профессора Кейт Мартин, группе удалось напечатать жизнеспособные клетки сетчатки, используя 3D-принтер. На принтере сначала напечатали слой ганглионарных клеток сетчатки, а затем слой глиальных клеток поверх них, при этом все сохраняло свою жизнеспособность. Таким образом, кембриджская группа доказала, что однажды глаза и их внутренняя структура могут быть просто напечатаны для хирургических целей. Согласно словам Кейт Мартин, даже быстрый процесс печати никак не повлиял на результаты эксперимента. Дело в том, что, оказывается, эти клетки могут лететь на скорости 50 км/час и при этом сохранять свою активность. Это крайне удивило исследователей, в хорошем смысле. Такого они даже не ожидали.

А учёные Принстонского университета разработали бионическое ухо, содержащее чувствительную к радиоволнам антенну и живые клетки. Для создания бионического уха инженеры использовали послойное нанесение материала при помощи обычных 3D-принтеров. Основой искусственного органа стал гидрогель, внутри которого пропечатывали каналы полимера, содержащего частицы металлического серебра. По завершении печати «заготовку» инкубировали с культурой клеток, которые прикреплялись к поверхности бионического уха. Повышенная проводимость и соответствующая форма серебряных каналов делала их чувствительными к радиоволнам, но в разработанном прототипе эту антенну не к чему было подключать. Авторы указывают, что потенциально током таких антенн можно будет возбуждать нейроны напрямую, однако в данной работе это не было продемонстрировано. Основной задачей создателей бионического уха стала отработка технологии совмещения электрических и биологических компонентов в единой живой ткани. Потенциально такие устройства можно использовать не только для «расширения слухового диапазона в область радиочастот», но и, например, для дистанционного контроля за состоянием протезов.

В том же направлении – создании при помощи 3D-печати не просто муляжей живых органов, а их полнофункциональных аналогов – работала группа американских учёных из пяти университетов, которая произвела каркас для нервов. Конструкция позволяет восстановить сенсорные и моторные функции после травмы. Для эксперимента исследователи при помощи 3D-сканера создали модель седалищного нерва крысы. На основании модели специалисты спроектировали трубчатый каркас, повторяющий форму нерва. После этого каркас в форме буквы Y распечатали из силикона, при этом специальная конструкция принтера в процессе печати позволила имплантировать внутрь каркаса биохимические метки, способствующие регенерации нерва. Каркас вживили крысе, которой предварительно перерезали нерв. По словам исследователей, на сканирование и печать каркаса уходит несколько часов, после этого необходимо несколько недель для успешной регенерации нерва. У подопытной крысы восстановление сенсорных и моторных функций заняло 10-12 недель. Авторы исследования полагают, что технологию можно будет в скором времени применить и для регенерации человеческих нервов. При этом, как отмечает один из исследователей, можно заранее создать библиотеку трёхмерных моделей каркасов для различных нервов. Подобная библиотека поможет врачам, если нерв повреждён слишком сильно и сканирование не принесёт необходимого результата.

Вообще же, с помощью 3D-технологий можно изготовить практически любую копию человеческого органа. Как показали исследования, имплантированные в тела животных части костей, мышцы и хрящи, изготовленные на 3D-принтере, функционируют нормально, что открывает большие возможности использования живых тканей для восстановления повреждённых органов. Врач-профессор Мартин Бирчелл из Лондонского университетского колледжа назвал технологию печати живых органов «гусыней, которая несёт золотые яйца». Идея интегрировать индивидуальные стволовые клетки человека в изготовленную на 3D-принтере точную копию повреждённого органа способна совершить революцию в регенеративной медицине. Заменить сломанную челюсть, изношенную сердечную мышцу или вернуть человеку отсутствующее ухо с помощью такой технологии не составит большого труда.

На сегодняшний день главной проблемой трансплантации искусственно регенерированных органов остаётся сложность поддержания их жизнеспособности – ткани толщиной свыше 0,2 мм испытывают нехватку кислорода и питательных веществ. Проблему может решить методика команды американского медицинского центра Wake Forest, которая позволяет изготавливать при помощи 3D-принтера живую ткань, пронизанную микроканалами. Ткань имеет губкообразную основу, что позволяет питательным веществам и нейронным сетям проникать в её структуру.

Технология представляет собой интегрированную систему, часть которой отвечает за рост тканей, другая – за изготовление на 3D-принтере точной копии заменяемого органа. Исходный материал состоит из биоразлагаемого пластика, который формирует внешнюю структуру воссоздаваемого органа, и геля на водной основе, который содержит клетки и стимулирует их рост. Испытания на животных показали, что после имплантации пластик постепенно разрушается, а его место занимает естественная структурная матрица из белков, продуцируемых клетками. Кровеносные сосуды и нервы вращиваются непосредственно в имплантаты.

Как говорит профессор Энтони Атала, ведущий исследователь центра Wake Forest, в настоящее время уже можно печатать и человеческие ткани. «Предположим, к нам поступил пациент с травмой челюсти, часть которой отсутствует. Мы делаем пациенту томографию, затем передаём данные на принтер, и он создаст недостающую часть челюстной кости, которая будет полностью подходить больному», – рассказал Энтони Атала.

Да что там кусочек челюсти. В 2015 году доктора из университетского госпиталя Саламанка в Испании провели первую в мире операцию по замене повреждённой грудной клетки пациента на новый 3D-напечатанный протез. Человек страдал редким видом саркомы, и у врачей не осталось другого выбора. Чтобы избежать распространения опухоли дальше по организму, специалисты удалили у человека почти всю грудину и заменили кости титановым имплантатом.

Имплантаты для крупных отделов скелета производят из самых разных материалов, которые со временем могут изнашиваться. Помимо этого, замена столь сложного сочленения костей, как кости грудины, которые, как правило, уникальны в каждом отдельном случае, потребовала от врачей провести тщательное сканирование грудины человека, чтобы разработать имплантат нужного размера. В качестве материала для новой грудины было решено использовать титановый сплав. После проведения высокоточной трёхмерной компьютерной томографии, учёные использовали 3D-принтер и создали новую титановую грудную клетку. Операция по установке новой грудины пациенту прошла успешно, человек прошёл полный курс реабилитации.

Дальше – больше. Учёные из Северо-Западного университета при помощи 3D-принтера создали искусственные яичники, которые позволили лабораторным животным с хирургически удалёнными ранее парными половыми железами родить живых детёнышей. Исследователи надеются использовать данную технологию для разработки биопротезов человеческих яичников, которые могут в последующем быть имплантированы женщинам для восстановления их фертильности (способности половозрелого организма производить жизнеспособное потомство). «Мы разрабатываем новые способы восстановления качества жизни пациенток за счёт искусственно созданных биологических имплантатов, чтобы возвратить фертильность и нормальную секрецию гормонов», – сказала ведущий автор исследования Моника Ларонда.

Группа специалистов использовала 3D-принтер для создания специального каркаса, заселённого незрелыми яйцеклетками (ооцитами). Структура данного каркаса была изготовлена из желатина – биологического материала, получаемого из коллагена (животного белка, составляющего основу соединительной ткани организмов). Созданная учёными основа отличалась высокой жёсткостью, упругостью, способностью на протяжении длительного времени сохранять свою структуру. Она обеспечивала будущие яйцеклетки достаточным для их роста пространством, участвовала в формировании кровеносных сосудов. Засеянные фолликулами яичников каркасы представляют собой блоки, содержащие ооциты, работа которых поддерживается гормон-продуцирующими клетками. Всё это и является «биопротезом».

Для тестирования новейшего имплантата учёные удалили яичники у мышей и заменили их на искусственно созданные половые железы. Грызуны смогли беременеть, давать здоровое потомство и выкармливать его. Имплантация биопротеза также восстановила эстральный цикл у лабораторных животных. Учёные считают, что подобный имплантат поможет поддерживать гормональный цикл у женщин, имеющих врождённую или приобретённую дисфункцию яичников. Часто у таких женщин снижена выработка половых гормонов, что может приводить не только к проблемам наступления половой зрелости, но и к различным нарушениям опорно-двигательной и сердечно-сосудистой систем. «Мы надеемся однажды восстановить фертильность и гормональную функцию у женщин, страдающих от побочных эффектов лечения онкологических заболеваний или родившихся со сниженной функцией яичников», – рассказала Моника Ларонда. Специалисты уверены, что их научная работа окажет влияние на другие разрабатываемые в настоящее время методы замены мягких тканей.

Печатью тканей с помощью струйных принтеров занимаются и в Институте межфазной инженерии и биотехнологий Фраунгофера (Fraunhofer Institute for Interfacial Engineering and Biotechnology, IGB) в Штутгарте. Учёные из IGB достигли значительного успеха в разработке биочернил, пригодных для использования в биопечати. Эти прозрачные жидкости состоят из компонентов природного тканевого матрикса и живых клеток. Новые биочернила основаны на хорошо известном биологическом материале – желатине. Желатин получают из коллагена – основного компонента соединительной ткани. Чтобы адаптировать биологические молекулы для печати, исследователи модифицировали гелеобразующие свойства желатина. В отличие от немодифицированного желатина, быстро образующего гидрогель, биочернила в процессе печати остаются жидкими. Жидкость превращается в гидрогель только после облучения ультрафиолетовым светом, сшивающим молекулы коллагена. Полимеры из модифицированного желатина, как и природные ткани, содержат огромное количество воды, но остаются стабильными в водной среде и при нагревании до физиологических 37 °С. Химическую модификацию биологических молекул можно контролировать, с тем чтобы получать гели с различными характеристиками прочности и набухания. Это позволяет имитировать свойства разных естественных тканей – от твёрдого хряща до мягкого жира.

В Штутгарте печатаются и синтетические материалы – искусственные заменители внеклеточного матрикса. Примером тому система, которая при отверждении даёт гидрогель, лишённый побочных продуктов, и может быть немедленно заполнена живыми клетками. Но на данный момент наибольшее внимание учёные уделяют «естественному» варианту гидрогелей. «Несмотря на то, что синтетические гидрогели обладают большим потенциалом, нам ещё многое нужно узнать о взаимодействиях между искусственными веществами и клетками или природными тканями. Наши основанные на биомолекулах варианты обеспечивают клетки естественной средой и поэтому могут стимулировать самоорганизацию клеток в модель функциональной ткани», – объяснил доктор Кирстен Борхерс.

Принтеры в лаборатории в Штутгарте имеют много общего с обычными офисными принтерами, различия обнаруживаются только при ближайшем рассмотрении. Например, нагреватель на чернильном контейнере, с помощью которого устанавливается температура биочернил. Кроме того, у биопринтеров меньше струй и резервуаров, чем у их офисных «коллег». «Нам хотелось бы увеличить их количество, чтобы одновременно печатать разными чернилами с разными клетками и матриксами. Так мы сможем приблизиться к воспроизведению сложных структур и различных типов тканей», – сказал доктор Борхерс.

Большой проблемой на данный момент является создание васкуляризированной ткани. Это означает, что ткань должна иметь свою собственную систему кровеносных сосудов, снабжающую её питательными веществами. Вместе с партнёрами IGB работает над этой проблемой в рамках проекта Arti Vasc 3D при поддержке Европейского Союза. Сутью этого проекта является технологическая платформа для создания мелких кровеносных сосудов из синтетических материалов и первой искусственной кожи с её подкожной жировой клетчаткой. «Этот этап очень важен для будущей печати тканей или целых органов, – комментирует Кинстен Борхерс. – Печать более крупных тканевых структур станет возможной только тогда, когда мы достигнем успеха в получении ткани, которая питается системой кровеносных сосудов».

Создавать «запчасти для организма» можно не только на 3D-принтере, но и в биореакторе – аппарате, моделирующим среду, сходную с внутренней средой организма человека для создания оптимальных условий для деления клеток и строительства костей или мягких тканей организма. По этому пути пошли врачи больницы «Эмек» в Афуле (Израиль), которые впервые в мире провели пересадку костей, выращенных в лаборатории. Инновационный метод подходит и для жертв аварий, и для раковых больных, и для пожилых. А в будущем с его помощью можно будет увеличить рост. До сих пор подобное было невозможно, и пациенты, лишившиеся фрагмента кости в аварии или в процессе лечения ракового заболевания, были вынуждены проходить через долгий и болезненный процесс трансплантации кости, взятой из другого участка тела.

Израильские врачи нашли способ выращивать недостающие части искусственно. Для этого они взяли у пациента фрагмент жировой ткани, выделили из неё клетки, отвечающие за строительство тканей и кровеносных сосудов, и поместили их в биореактор. Примерно через две недели в биореакторе образуется ткань, пригодная для трансплантации в тело пациента. Живой трансплантат вводится при помощи специального шприца, и ткань продолжает расти уже внутри человеческого тела. Процесс полного формирования недостающего участка кости занимает несколько месяцев.

«Мы создали тысячи крохотных частиц, каждая из которых была живой. Это позволило нам ввести их в те участки тела, где не хватало костной ткани, при помощи инъекций. Там частицы присоединились к живой действующей костной ткани, – объяснил доктор Шай Марицки, генеральный директор компании «Бонус биогрупп», разработавшей этот инновационный метод лечения. – У пациента не хватало фрагмента кости в ноги длиной пять сантиметров. Врач ввёл в этом месте тысячи частиц живых имплантатов, которые мы вырастили в лаборатории, и в течение нескольких дней этот участок начинает заполняться клетками нарастающей ткани. Через два месяца пациент может ходить».

Дани, житель кибуца на севере страны, лишившийся участка кости голени в дорожной аварии, стал первым пациентом, которому была сделана операция при помощи новой технологии. Операцию провёл профессор Нимрод Розен, заведующий ортопедического отделения больницы «Эмек».

«Через шесть недель кость восстановится, и голень станет такой же, как раньше», – сказал после операции профессор Розен. По его словам, подобная операция подходит и пожилым людям, и пациентам с остеопорозом, и раковым больным, которым удалили участок кости из-за опухоли. По мнению профессора Розена, в будущем этот метод можно будет использовать и в эстетической медицине, чтобы помочь низкорослым людям стать выше ростом. «За одну операцию можно нарастить 10 сантиметров. Те, кому это необходимо, смогут сделать серию операций», – рассказал хирург.

Достижения современной инженерии позволяют изготавливать не только отдельные фрагменты конечностей, но и создавать руку или ногу полностью

Так, ещё в 2016 году два первых бионических протеза руки, созданные агентством перспективных оборонных разработок Пентагона (DARPA) совместно с американской компанией Mobius Bionics, были переданы Национальному военному медицинскому центру в Мэриленде. Разрабатывали эти протезы пять лет. Устройство назвали LUKE в честь Люка Скайуокера, одного из главных персонажей серии фильмов «Звёздные войны», потерявшего руку в бою с Дартом Вейдером и получившим взамен высокотехнологичный протез. Также аббревиатура LUKE расшифровывается как Life Under Kinetic Evolution (жизнь при кинетической эволюции).

Бионическая рука управляется электромиографическими электродами, с их помощью контроллер считывает сигналы мышц. Эти сигналы протез преобразовывает в одно из десяти возможных движений: подъем руки над головой, заведение её за спину, подъем и опускание предметов с одновременным сгибанием локтя, захват и удержание предметов (причём даже хрупких, например, куриного яйца). Бионическая рука выполняет множество повседневных операций, например, с её помощью можно почистить зубы или застегнуть молнию на одежде. Протез LUKE защищён от воды и пыли. Испытания устройства проводились более чем на ста людях на протяжении десяти тысяч часов. Пентагон планирует включить этот протез в медицинскую страховку для военнослужащих.

Но мало создать аналог конечности, нужно ещё и наладить её чёткое взаимодействие с мозгом, чтобы действие протеза ничем не отличалось от движений естественной руки или ноги. Налаживанию полнофункциональной работы искусственно созданных конечностей может поспособствовать программа DARPA, направленная на разработку высокотехнологичного имплантата, способного создать своего рода коммуникационный мост между человеческим мозгом и биосовместимыми устройствами. Агентство надеется, что разработка подобной технологии в рамках программы Neural Engineering System Design (NESD) получит очень широкий спектр применения как в исследовательских проектах, так и в медицине. В то время как компьютеры продолжают развиваться огромными шагами, человечество по-прежнему не разработало систему, которая по-настоящему может взаимодействовать со всеми способностями человеческого мозга. Программа DARPA направлена на решение этого вопроса и при успешной реализации существенно повысит возможности сферы нейротехнологий.

«Сегодняшние лучшие представители технологий интерфейсов «компьютер-мозг» скорее походят на то, как два суперкомпьютера пытаются между собой общаться посредством старого 300-бодного модема, – говорит Филип Альвельда, менеджер программы NESD. – Только представьте, что перед нами откроется, если мы сможем модернизировать канал коммуникации между человеческим мозгом и современной электроникой».

Использующимся в настоящий момент нейроинтерфейсам в самых разных исследовательских программах приходится сжимать огромный объем информации и распределять её передачу по сотне каналов, каждый из которых получает сенсорную информацию, посланную десятками тысяч нейронов. Неудивительно, что это совсем не приводит к выдающимся результатам, а передаваемая информация часто оказывается под воздействием внешних шумов, которые снижают её точность. DARPA считает, что следующее поколение нейроинтерфейсов будет гораздо точнее и в конечном итоге приведёт к разработке имплантируемых систем нейронных каналов передачи, которые будут способны получать данные от одного миллиона нейронов и при этом по своим размерам не превышать одного кубического сантиметра.

Сложности, с которыми придётся столкнуться при разработке подобных интерфейсов, включая всю сложность исследования и проектирования конечного дизайна таких устройств, феноменальны. Согласно агентству, для решения этих вопросов потребуется совершить серьёзный технологический прорыв сразу в нескольких разных научных сферах, начиная от синтетической биологии и нейробиологии и заканчивая разработками в сфере маломощной электроники. Исследователи проекта NESD займутся разработкой новых сложных методов, предназначенных для перекодирования электромеханических сигналов нейронов мозга и передачи их с максимально возможной точностью компьютерным системам. Если программа докажет свою состоятельность, то перед нами откроется широкий набор потенциальных сфер применения данных технологий. Нас ожидают удивительные открытия в нейротехнологиях. Собранную имплантатами сенсорную информацию можно будет использовать, например, для разработки новых технологий, которые позволят улучшить слух и зрение пациентов, а также разработать новые методы лечения различных заболеваний.

Работы в недрах DARPA по созданию нейроинтерфейсов будущего лежат в русле исследований созданного в 2014 году Офиса биологических технологий (Biological Technology Office – BTO), перед которым поставлена задача «разгадать производственные секреты биологии» и «использовать силу биологических систем», в первую очередь в военных целях, разумеется, а если получится, то и в мирных отраслях, прежде всего в медицине. Исследования ведутся в направлении решения проблемы улучшения памяти, симбиоза машин и людей и ускорения обнаружения заболеваний и отклика на них. В 2016 году на это дело ушло 300 миллионов долларов, но в агентстве надеются, что средства не улетят на ветер, а дадут мощную отдачу в работе над нейронными имплантатами для помощи здоровым людям в их повседневной жизни и других технологиях, которые «изменят правила игры» в медицине.

Директор BTO, исследователь нейропротезирования Джастин Санчес, так сказал о работе своей конторы: «Мы ведём биологическую работу на стыке биологии и инженерии много лет, но она была разбросана по другим отделам DARPA. Этот офис стал признанием того, что биологические технологии собираются играть важнейшую роль не только в направлении движения нашей страны, но и других стран, поэтому нам нужно было сосредоточить всеобъемлющие усилия и отправиться вперёд. Эта программа называется «живые литейные» – словно мы собираемся отливать что-то живое. Традиционно мы используем химию для создания новых соединений или новых лекарств. Но в последнее время мы поняли, что микробы вроде дрожжей и бактерий тоже могут производить соединения, а мы можем программировать их для создания этих соединений, сперва поняв, какие химические дорожки они используют. Взять, к примеру, дрожжи. Дрожжи используют сахар для получения спиртов самым разным образом. Если же перепрограммировать эти дорожки, можно было бы заставить их создавать множество других соединений, которые они изначально производить не умели, а мы все так же будем использовать то же исходное сырье – сахар. Наши команды разрабатывают генетические коды, при помощи которых можно будет перепрограммировать дрожжи. Эта идея может перевернуть наш процесс производства соединений. Перед нами стоит задача произвести 1000 новых молекул на протяжении программы и наши команды хорошо справляются. Я думаю, они уже произвели порядка 100 новых соединений, которые производятся дрожжами. Это как взять биологию и поженить её на инженерных инструментах, а затем создать с их помощью нечто».

Кроме того Джастин Санчес отметил: «Нейротехнологии – это очень большая область в нашем офисе. Мы добились больших успехов по медицинской части, показав, что прямые нейронные интерфейсы (связи между мозгом и устройством вроде нейростимулятора, компьютера или протеза) могут восстанавливать движение, ощущение и здоровье людей с психоневрологическими расстройствами. Что примечательно, при всем уважении ко многим исследованиям, многие люди думают, что можно выделить важную область мозга, простимулировать её и волшебным образом получить ответ. Но это не так. Когда вы создаёте карту происходящего в мозге, то, как выяснилось, если вы не отправите правильные коды в мозг, вы не получите улучшение памяти и даже можете её ухудшить. Но фокус в том, что если вы отправите правильные коды, вы получите существенные улучшения в декларативной памяти. Так что это палка о двух концах. Необходимо углублённое исследование в следующем поколении изучения мозга. Код это несколько вещей. Это точное срабатывание отдельных нейронов. Скажем, у вас есть 100 нейронов, и все они зажигаются в разное время в разных местах, и все эти включения и выключения можно интерпретировать как попытку вспомнить слово «Нэнси» или «дерево». Мы можем понять, что означают эти схемы активации и как они связаны с реальным миром. Все эти нейронные схемы активации вместе производят волны или ритмы мозга, и на этом уровне мы также изучаем мозг. Важно понимать все эти различные клеточки мозга, потому что он так работает. Мы теряем так много из-за того, что не понимаем биологию. Думаю, наше понимание биологии сильно растёт. И наша способность взаимодействовать с биологией, используя технические методы, изменит наше отношение к телу, мозгу и иммунной системе. Думаю, у нас будет удивительное будущее, ближайшие годы вынесут нам всем мозги».

И мозги действительно выносятся, и уже сейчас. Особенно, когда видишь, как близко мы подошли к созданию новых организмов, по сути посягая на прерогативы Творца. Пока только по части сотворения живого мира, но как знать, что дальше будет, если при том мы сами, по глупости либо по злому умыслу, себя не изничтожим, как ветвь цивилизации, играя в такие игрушки как «конструктор ДНК».

Предпосылки к тому намечаются с появлением новой индустрии – печати на продажу ДНК с помощью 3D-принтеров. Правда, исполнительный директор калифорнийской компании Cambrian Genomics объясняет, что данный процесс лучше всего описывает фраза «проверка на ошибки», нежели «печать». Технология незамысловата, хотя и не дешева – миллионы частей ДНК помещаются на крошечные металлические подложки и сканируются компьютером, который отбирает те цепи, которые в конечном итоге должны будут составлять всю последовательность ДНК-цепочки. После этого лазером аккуратно вырезаются нужные связи и помещаются в новую цепочку, предварительно заказанную клиентом.

Такие компании, как Cambrian, полагают, что в будущем люди смогут благодаря специальному компьютерному оборудованию и программному обеспечению создавать новые организмы просто для развлечения. Конечно же, такие предположения сразу же вызовут праведный гнев людей, сомневающихся в этической корректности и практической пользе данных исследований и возможностей, но рано или поздно, как бы мы этого хотели или не хотели, мы к этому придём, считают в компании Cambrian Genomics.

Сейчас же ДНК-печать демонстрирует многообещающий потенциал в медицинской сфере. Производители лекарств и исследовательские компании – вот список первых клиентов таких компаний, как Cambrian.

Исследователи из Каролинского института в Швеции пошли ещё дальше и начали создавать из ДНК-цепочек различные фигурки. ДНК-оригами, как они это называют, может на первый взгляд показаться обычным баловством, однако практический потенциал использования у этой технологии тоже имеется. Например, его можно будет применять при доставке лекарственных средств в организм с помощью нанороботов-транспортёров.

Существенный сдвиг на этом направление произошёл в 2015 году, когда группа исследователей из Калифорнийского университета в Сан-Диего объявила о том, что провела первые успешные тесты с применением наноботов, которые выполнили поставленную перед ними задачу по транспортировке, находясь внутри живого организма. Живым организмом в данном случае выступали лабораторные мыши.

После помещения наноботов внутрь животных микромашины направились к желудкам грызунов и доставили помещённый на них груз, в качестве которого выступали микроскопические частички золота. К концу процедуры учёные не отметили никаких повреждений внутренних органов мышей и тем самым подтвердили полезность, безопасность и эффективность наноботов.

Дальнейшие тесты показали, что доставленных наноботами частичек золота в желудках остаётся больше, чем тех, которые были просто введены туда с приёмом пищи. Это натолкнуло учёных на мысль о том, что наноботы в будущем смогут гораздо эффективные доставлять нужные лекарства внутрь организма, чем при традиционных методах их введения.

Моторная цепь крошечных роботов состоит из цинка. Когда она попадает в контакт с кислотно-щелочной средой организма, происходит химическая реакция, в результате которой производятся пузырьки водорода, которые и продвигают на-ноботов внутри. Спустя какое-то время наноботы просто растворяются в кислотной среде желудка.

Несмотря на то, что данная технология разрабатывается уже почти десятилетие, только в 2015 году учёные смогли провести её фактические тесты в живой среде, а не обычных чашках Петри, как делалось много раз до этого. В будущем наноботов можно будет использовать для лечения различных болезней внутренних органов путём воздействия нужными лекарствами на отдельные клетки.

Например, на клетки мозга. Но прежде чем воздействовать по принципу «не навреди», нужно как следует изучить объект лечения, чтобы знать, куда чего доставлять. Значительных успехов в изучении клеток мозга при лечении болезней, связанных со старением организма, добились учёные из калифорнийского Института Солка в Ла-Холья, когда разработали метод трансформирования клеток кожи в старые мозговые клетки. Зачем именно в старые? – Старые мозговые клетки нужды для изучения болезней Альцгеймера и Паркинсона и процессов старения. Исторически сложилось, что для таких исследований применялись клетки мозга животных, однако учёные в этом случае были ограничены в своих возможностях. Недавно учёные смогли превратить стволовые клетки в клетки мозга, которые можно использовать для исследований. Однако это довольно трудоёмкий процесс, и на выходе получаются клетки, не способные имитировать работу мозга пожилого человека, что необходимо для работы над «эликсирами жизни» – препаратами, увеличивающими продолжительность жизни человека, работы над которыми щедро финансируются разного рода денежными мешками. Как только исследователи разработали способ искусственного создания клеток мозга, они направили свои усилия на создание нейронов, которые обладали бы возможностью производства серотонина – химического вещества, участвующего в передаче нервных импульсов через синапс от одного нейрона к другим, влияющего на процесс старения, регулирующего способность к обучению и память. И хотя полученные калифорнийскими учёными клетки обладают лишь крошечной долей возможностей работы человеческого мозга, они активно помогают в исследованиях и поиске лекарств от таких болезней и расстройств, как аутизм, шизофрения и депрессия.

Пока в США изучают болезнь Альцгеймера, в Израиле её уже победили. Впервые в истории мировой медицинской науки израильским учёным удалось одержать победу над самым непредсказуемым и до сегодняшнего дня неизлечимым заболеванием – болезнью Альцгеймера. И хотя разработки эффективного лекарства против болезни Альцгеймера велись уже давно, 99 % клинических исследований препаратов заканчивались неудачно. Израильские же исследователи создали новый препарат, который оказался эффективным даже в небольших дозах.

Согласно данным опубликованного отчёта, созданный израильтянами препарат полностью останавливает дегенеративные изменения в мозге. Речь идёт о завершении доклинических испытаний нового препарата, показавшего почти 100-процентное исцеление от этой неизлечимой ранее и наиболее распространённой формы слабоумия. На сегодняшний день новый лекарственный препарат успешно прошёл все стадии доклинических испытаний.

Сначала лекарство было протестировано на высаженных культурах нейронов. Совсем малая доза полученного лекарственного средства смогла предотвратить разрушение нервных клеток, подвергшихся воздействию деструктивных характеристик окислительного стресса (составляющая болезни Альцгеймера) и бета-амилоидных бляшек, считающихся признаком развития этого заболевания.

Затем от болезни Альцгеймера были вылечены все подопытные мыши. Благодаря новому лекарству у подопытных полностью пропали симптомы этого недуга, а их когнитивные способности оказались сравнимы с показателями здоровых животных.

Целью созданной израильскими учёными молекулы являются бета-амилоидные бляшки. Она эффективно разрывает скопление бета-амилоида, повреждающего передачу данных по нервным клеткам, и одновременно активирует специфические белки, обеспечивающие защиту нейронов от различных материалов, характерных для болезни Альцгеймера.

В ходе лабораторных экспериментов учёным на всех уровнях удалось сохранить нейроны, которые бы погибли в условиях окислительного стресса или в присутствии бета-амилоида. «Эти клетки выжили при обработке даже очень низкими концентрациями вещества», – прокомментировала полученные результаты руководитель исследовательской группы, профессор химии Университета Бар-Илан Билха Фишер. Новый препарат она разрабатывала в сотрудничестве с профессором-неврологом Дэниелем Оффеном из Тель-Авивского университета.

«Созданная нами молекула – своего рода универсальный и надёжный медицинский швейцарский армейский нож, – пояснила профессор Фишер. – Формула способна выполнять огромное количество терапевтических задач и одновременно достигать сразу несколько целей».

До нынешнего момента лечение болезни Альцгеймера было крайне затруднено из-за её многомерности и многосложности. Если какой-то прогресс в борьбе с этим заболеванием и существовал, то, в основном, только в области разработки инструментов его ранней диагностики, а также в исследованиях взаимосвязей между изменением образа жизни пациентов и замедлением хода заболевания. Но разработка новых эффективных лекарств в мире по-прежнему значительно отстаёт. «Сегодня существуют препараты, эффективность которых весьма ограничена, – резюмирует ситуацию профессор Фишер. – Они способны помочь лишь 20% пациентам и только в течение одного-двух лет».

Болезнь Альцгеймера, как правило, обнаруживается у людей старше 65 лет. Согласно данным статистики, в 2006 году число заболевших составляло 26 миллионов 600 тысяч человек в мире, а к 2050 году число больных может вырасти вчетверо. На ранних стадиях болезни появляется расстройство кратковременной памяти, позднее происходит потеря и долговременной памяти. Постепенная потеря функций организма ведёт к смерти. На ранних стадиях болезнь Альцгеймера диагностике поддаётся плохо. Средняя продолжительность жизни после установления диагноза составляет около 7 лет, менее 3 % больных живут более 14 лет. Учитывая масштабы, охватываемые болезнью Альцгеймера, полученные в Израиле результаты дают надежду десяткам миллионов больных во всем мире на излечение и, в конечном счёте, на жизнь.

«Необходимо помнить, что болезнь Альцгеймера начинается за 20 лет до того, как будет поставлен диагноз, – подытожила свой рассказ профессор Билха Фишер. – Поэтому я уверена, что вместе с прогрессом в области ранней диагностики, мы с помощью нашего препарата сможем не только замедлять развитие болезни Альцгеймера и лечить её, но и предотвращать. Это станет огромным достижением в борьбе с этим сложным смертельным заболеванием».

Стоит заметить, что в Израиле исследования в области медицины с прицелом на новейшие достижения науки и техники поставлены на широкую ногу. Вот только небольшой перечень достижений израильских компаний в области современной медицины:

– Нанонос, изобретенный профессором Hossam Haick из Техниона. Новый израильский диагностический прибор нанонос, разработанный на основе нанотехнологий, позволяет по выдыхаемому воздуху диагностировать различные типы рака лёгких с точностью до 95%.

– Hervana – негормональные длительного действия противозачаточные суппозитории. Компания выиграла грант в миллион долларов на развитие от Фонда Билла и Мелинды Гейтс. Это противозачаточные лекарства необходимы для более доступного, дешёвого и социально приемлемого варианта планирования семьи в развивающихся странах, хотя это будет продаваться также в Соединённых Штатах и Европе.

– Vecoy нанолекарства – это наноловушки вирусов, способные захватить и уничтожить вирусы прежде, чем они могут инфицировать клетки. Эта разработка является огромным шагом вперёд по сравнению с противовирусными препаратами и даже вакцинами.

– Agili-С – раствор для регенерации гиалинового коленного хряща разработан в Университете им Бен-Гуриона. Одобрен Европейским союзом и подан на утверждение FDA.

–Oramed – иерусалимская фармацевтическая компания разработала капсулы инсулина для диабета 2 типа, принимаемые внутрь, вместо инъекций. В процессе разработки находятся капсулы для диабета 1 типа.

– Компания Premia Spine разработала и выпустила принципиально новый имплантат для замены позвоночных суставов, позволяет отправить в прошлое тотальное эндопротезирование, как это произошло с коленным и тазобедренным суставами. Он уже доступен к использованию в Израиле, Австрии, Германии, Великобритании и Турции.

– Компания Mapi Pharma разработала принципиально новые лекарственные препараты пролонгированного действия для лечения симптомов рассеянного склероза и боли.

– Компания Discover Medical представила принципиально новую маску для страдающих апноэ во время сна. В отличие от имеющихся аналогов, новая маска более удобна и не создаёт нагрузки на сердце.

– Компания Real Imaging, руководимая Арноном Боазом разработала аппарат для диагностики доброкачественных и злокачественных заболеваний молочных желёз. Он работает без радиационного излучения и без контакта с молочной железой. Аппарат анализирует 3D и инфракрасные сигналы, излучаемые из злокачественной и доброкачественной ткани, создавая объективный доклад, который не нуждается в интерпретации.

– Профессор Михаль Шварциз института Вайцмана разработала новый анализ крови для определения ранней стадии болезни Альцгеймера и бокового амиотрофического склероза.

– Доктор Шахар Коэн и его коллеги из израильского университета, расположенного в городе Ариэль в Самарии, разработали прибор, внешне напоминающий ручные часы, который больные надевают на кисть руки. Прибор позволяет записывать симптомы болезни Паркинсона (непроизвольные дрожательные движения), делая до 300 замеров за секунду, и обеспечивая полную картину симптомов. Большое количество данных позволяют изучить течение болезни и назначить верное лечение. Конечной целью создания такого прибора является разработка методов полного излечения болезни.

– Израильская компания Beta-O2 Technologies разработала биологическую искусственную поджелудочную железу в качестве потенциального средства исцеления людей больных диабетом. Данная технология создания искусственной поджелудочной железы ставит перед собой цель помочь больным диабетом первого типа (юношеский диабет) прекратить инъекции инсулина. Пациентам вживляют живые бета-клетки, ответственные за выработку гормона инсулина, которые, находясь в теле человека, анализируют уровень сахара в крови. По результатам такого анализа, бета-клетки производят либо инсулин (понижающий уровня сахара), либо глюкагон (повышающий уровень сахара). Такая искусственная железа уже была успешно имплантирована первому пациенту. Наблюдения дали первые результаты: искусственная поджелудочная железа работала надежно, а поскольку была предложена технология, при которой прибор позволяет иммуноизоляцию имплантируемых клеток, то больному нет необходимости принимать препараты для подавления иммунной системы, что обычно необходимо при имплантации органов, чтобы превентировать отторжение инородного тела организмом.

Из того же ряда успешного приложения высоких технологий к медицине, но уже от американцев – Федеральное управление США по контролю за лекарствами (FDA) разрешило использовать лекарство Keytruda для лечения опухолей с генетическим маркером MSI-H. В ходе клинических испытаний препарат доказал эффективность: у 40 % больных, участвовавших в испытании, опухоли уменьшились или исчезли полностью, у 78 % этот эффект сохранялся не менее шести месяцев.

Лекарство предназначено для лечения взрослых и детей на продвинутой стадии рака с метастазами. В Израиле препарат включён в государственную корзину здоровья для лечения меланомы, опухолей головы и шеи и немелкоклеточного рака лёгких NSCLC. Лекарство вводится внутривенно раз в три недели.

После рассмотрения результатов исследований FDA лицензировало средство по ускоренной процедуре (ускоренная процедура лицензирования применяется к лекарствам, спасающим жизнь, при наличии положительных результатов клинических испытаний). Препарат разрешён для лечения 15 видов опухолей, включая опухоли поджелудочной железы, лёгких, простаты, щитовидной железы, толстого кишечника, желудка, мочевого пузыря, слюнных желёз.

Механизм действия Keytruda – выявление «прячущейся» от иммунной системы опухоли. Компания Merck разрабатывала это лекарство в течение 10 лет. Суть действия в том, что препарат делает опухоль заметной для иммунной системы больного, и она атакует её.

Клинические испытания показали отличные результаты при лечении опухолей кожи, головы и шеи, желудка и мочевого пузыря: опухоли уменьшались в размерах, а иногда и полностью исчезали.

В настоящее время в мире проводятся десятки испытаний препарата Keytruda. Специалисты полагают, что в ближайшие годы лекарство будет лицензировано для лечения дополнительных видов рака, и будет создана линия лекарств, основанных на аналогичных принципах борьбы с опухолями.

Значительно усовершенствовать методы лечения рака и других заболеваний, решив одну из основных проблем современной медицины – как быстро, безопасно и эффективно доставить лекарственный препарат в организм пациента – может новая физическая форма белков, разработанная учёными Техасского университета в Остине (The University of Texas at Austin). Стратегию получения белковых препаратов, разработанную преподавателями и студентами Школы инженерии Кокрелла (Cockrell School of Engineering) при Техасском университете в Остине с полным правом можно назвать беспрецедентной: предлагаемый учёными новый универсальный подход к доставке лекарств способен произвести революцию в лечении рака, артрита и инфекционных заболеваний. Американские учёные представили новую физическую форму белков, в которой молекулы упаковываются в высококонцентрированные наноразмерные кластеры (от 50 до 300 нм), легко проходящие через иглу.

Ключевой успех пришёл к учёным в 2004 году, когда профессор химической инженерии Томас Траскетт предположил, что растворы основанных на белках препаратов будут стабильны в ультравысоких концентрациях. В то время профессор химической инженерии Кит Джонстон уже работал с наночастицами концентрированного стабильного белка, но не знал, как получить дисперсии, пригодные для инъекций. В 2009 году учёным удалось получить белковые нанокластеры в воде при помощи корректировки рН (чтобы снизить белковый заряд) и добавления сахара (трегалозы), собирающего вместе молекулы белка. Вскоре был совершен и еще один прорыв: инженер-химик Брайан Вилсон получил прозрачную дисперсию чрезвычайно концентрированного белка, которая, как позже было установлено, была образована нанокластерами.

Как показали биологические и биохимические анализы, при разбавлении дисперсии in vitro или подкожной инъекции мышам нанокластеры распадаются на отдельные конформационно стабильные белковые мономеры, полностью сохраняющие биологическую активность. При попадании в кровь белки использованных в экспериментах дисперсий моноканальных антител 1В7, поликлонального овечьего иммуноглобулина G и бычьего сывороточного альбумина (с концентрацией до 260 мг/мл) адресно атакует клетки и опухоли. При этом фармококинетика дисперсий неотличима от таковой стандартных растворов этих белков, используемых для внутривенного введения.

«Эта общая физическая концепция образования высококонцентрированных, но стабильных белковых дисперсий является одним из основных новых направлений в науке о белках, – поясняет профессор Джонстон, член Национальной инженерной академии США. – Мы считаем, что открытие новой высококонцентрированной формы белков – кластеров из отдельных белковых молекул – это инновация, способная изменить то, как мы боремся болезнями».

А вот учёные из Университета Дьюка призвали на борьбу с одной из самых опасных форм рака – опухоли мозга – сальмонеллу. Сальмонеллы – род неспороносных бактерий, имеющих форму палочек. Именно эти микроорганизмы становятся причиной более чем одного миллиона пищевых отравлений ежегодно, при этом около 400 человек при этом умирают. Команда исследователей из Университета Дьюка сумела генетически перепрограммировать сальмонеллы таким образом, чтобы они атаковали не желудочно-кишечный тракт человека, а агрессивные формы рака.

Глиобластома – это вам не шутки. Наиболее частая и агрессивная форма опухоли мозга ежегодно уносит жизни тысяч людей. Если диагноз глиобластома поставлен, пациент лишь в 10% случаев проживает до 5 лет, чаще всего жить ему остаётся не более 15 месяцев. Эта форма онкологии устойчива против химиотерапии, и её практически невозможно победить радиотерапией. Хирургическое вмешательство здесь тоже не вариант. Если хотя бы одна клетка опухоли останется внутри мозга, она станет началом нового злокачественного образования.

И вот тут-то на сцену выходит Сальмонелла энтерика или Сальмонелла кишечная. После нескольких генетических штрихов, внесённых учёными в её ДНК, бактерия превращается в ракету с самонаведением, которая целится прямиком в глиобластому. При этом подобная терапия практически безвредна для пациента. Учёные запрограммировали бактерию на постоянный дефицит аминокислот, известных как пурины. Так случилось, что опухоли пуринами набиты просто битком, поэтому и Сальмонелла слетается на них как пчёлы на мёд. После введения бактерий в мозг они проникают глубоко в опухоль, где начинают размножаться.

Команда исследователей также запрограммировала Сальмонеллу на то, чтобы она производила два соединения: azurian и p53 – они активируют в клетках самоуничтожение, но лишь в том случае, когда среда содержит недостаточное количество кислорода, например, внутри опухоли. Таким незамысловатым образом бактерия пожирает клетки опухоли, а затем погибает от нехватки кислорода. Учёным пришлось отключить естественные токсины Сальмонеллы, чтобы она не спровоцировала активацию иммунитета человеческого организма и могла эффективно бороться с раком. После уничтожения опухоли от бактерий не остаётся никаких следов.

Во время испытаний на лабораторных крысах 20% пациентов прожили 100 дней после уничтожения опухолей, это эквивалентно 10 годам человеческой жизни. Терапия позволит медикам в два раза увеличивать процент выживаемости пациентов, а также значительно продлить срок их жизни. Разумеется, успех лабораторных испытаний на грызунах – это ещё не вся победа, но начало положено неплохое.

Генная инженерия в медицине сулит большие перспективы в лечении неизлечимых на данный момент болезней. Особенно, если генные инженеры объединят свои усилия с нанотехнологами, которым тоже есть что продемонстрировать по медицинской части. К примеру, учёные из Медицинской школы Гарварда и Массачусетского технического института создали мельчайшие частицы, способные прочищать кровеносные сосуды. Учёные назвали своё творение нанобуром. Частицы разработанного вещества проникают в кровеносную систему человека и в буквальном смысле бурят любые новообразования, мешающие кровотоку. Сами частицы вреда сосудам и организму не наносят. В университете, где была разработана технология, отмечают, что новинка отлично заменяет дорогостоящие и малоэффективные по сравнению с наночастицами препараты для чистки сосудов. К тому же использование подобного метода избавляет человека от необходимости делать операцию при возникших проблемах с сердечно-сосудистой системой. «Это превосходный пример использования нанотехнологий в здравоохранении. Частицы вводятся при помощи обычной инъекции», – комментирует преимущество своего изобретения один из авторов разработки нанобура Роберт Лангер, профессор Массачусетского института. Он также добавляет, что никаких побочных эффектов от использования наночастиц пока зафиксировано не было.

Специалисты IBM Research и сингапурского Института биоинженерии и нанотехнологий (Institute of Bioengineering and Nanotechnology, IBM) объявили о том, что их совместные усилия привели к созданию антимикробиологического материала, гидрогеля, способного проникнуть сквозь любую биологическую мембрану и при контакте уничтожить микроорганизмы, стойкие к антибиотикам и другим видам сильнодействующих лекарственных препаратов. Интересен тот факт, что разработка данного материала стала побочным эффектом от разработки новых технологий производства полупроводников, выполняемой специалистами компании IBM Research.

В основе антимикробиологического гидрогеля лежит материал, который учёные с лёгкой руки назвали полимером-ниндзя. Этот полимер представляет собой раствор лёгких наноструктур, способных быстро перемещаться к инфицированным клеткам живого организма и быстро разрушить их вредное внутреннее содержимое. После этого наноструктуры разлагаются и исчезают, не вызывая разрушительных побочных эффектов и не скапливаясь во внутренних органах организма пациента».

Когда гидрогель наносится на заражённую поверхность, положительный заряд наноструктур заставляет их сблизиться с клетками вредных микроорганизмов, на поверхности мембран которых скапливается отрицательный электрический заряд. Используя активные биологические компоненты, частицы гидрогеля разрывают клеточные мембраны микроорганизмов, нарушая их целостность и препятствуя их дальнейшей жизнедеятельности. Такой материал является весьма действенным оружием против бактерий и микроорганизмов, выработавших иммунитет к лекарственным препаратам. Биоактивные частицы гидрогеля совершенно не вредят клеткам здоровой кожи и других тканей.

Специалисты IBM Research считают, что таким материалом беспрепятственно можно покрывать поверхности внутри помещений медицинских учреждений, медицинские приборы и инструменты, поверхности имплантатов, стены и перегородки офисных и производственных помещений. Гидрогели с немного изменённым составом могут использоваться в качестве протирочных материалов, составов для инъекций и входит в состав средств личной гигиены в качестве дезинфицирующего средства.

Как известно успех лечения многих болезней в сильной мере зависит от того, на какой стадии они были выявлены. Тут работает принцип – чем раньше, тем лучше. А раннее выявление заболевания определяется совершенством средств диагностики. И тут на первый план выходит инженерное оборудование, имеющееся в распоряжении медиков.

Здесь можно привести множество примеров, но в рамках книги ограничимся лишь самыми яркими.

Компания Google Inc. тестирует технологию, которая позволит диагностировать онкологические заболевания на ранней стадии, и сможет сигнализировать о высоком риске инфарктов и инсультов. Речь идёт о таблетке с наночастицами, которые смогут анализировать состав крови и подавать сигналы об изменениях в нем. В случае нарушения нормы соответствующий сигнал будет поступать на специальный браслет пациента или на компьютер. Если разработка Google будет успешно внедрена, это поможет диагностировать опасные заболевания задолго до появления физических симптомов. По словам главы инновационной лаборатории Google X Эндрю Конрада, которая разрабатывает проект, учёные хотят сместить фокус внимания с лечения заболеваний на их профилактику. «Наночастицы позволят исследовать человеческий организм на молекулярном и клеточном уров-не», – сообщил доктор Эндрю Конрад. Google разрабатывает несколько наборов наночастиц, которые предназначены для определения различных болезней. Например, один вид частиц сможет скапливаться возле раковой клетки или повреждённого фрагмента ДНК. Другие частицы будут искать холестериновые бляшки, из-за которых появляются тромбы, и в дальнейшем есть риск получить сердечный приступ или инсульт. В целом можно будет самостоятельно без очередей в клинике изучить полный биохимический анализ крови в любое время.

Группа учёных из университета Бар-Илан разработала новый способ диагностики и лечения атеросклероза: с помощью золотых наночастиц. Это произведёт революцию в профилактике инфаркта и инсульта, утверждает руководитель исследования профессор Дрор Фикслер. Атеросклероз продолжается оставаться главной причиной смерти людей в западных странах. Сейчас его диагностируют с помощью целого ряда обследований – УЗИ, компьютерной и магнитно-резонанс-ной томографии. Помимо дороговизны, эти обследования связаны с облучением. Группа специалистов под руководством профессора Дрора Фикслера предложила более дешёвый и безопасный метод. Он основан на инъекции наночастиц из золота. Частицы группируются вокруг холестериновых отложений в сосудах и выявляются с помощью специального сканера. По утверждениям израильских учёных, новый метод позволит выявлять атеросклероз на самых ранних стадиях. Если начать лечение на таком этапе болезни, то можно предупредить инфаркт и инсульт, существенно продлив жизнь больного. В будущем нанозолото можно будет применять не только для диагностики, но и для лечения атеросклероза. Соединив наночастицы с хорошим холестерином (HDL), врачи смогут очищать сосуды от жировых бляшек без операции и коронаропластики.

Израильская компания TytoCare разработала и успешно продаёт домашний прибор, позволяющий пациенту самостоятельно провести профессиональный «врачебный осмотр» себе или своему ребенку, отправить данные лечащему врачу и, не выходя из дома, получить грамотные рекомендации и рецепты. Помимо стандартного тонометра, прибор включает электронный стетоскоп для прослушивания шумов в сердце и лёгких, насадки с камерами высокого разрешения для осмотра полости рта, горла, ушей и кожи. Полученные данные отправляются через специальную аппликацию лечащему врачу, который может на их основе проконсультировать пациента дистанционно – задать уточняющие вопросы, направить на очный приём к специалистам, выписать через интернет рецепт и так далее.

Основатель и гендиректор TytoCare Деди Гилад поясняет, что его дочка в раннем детстве часто страдала отитами (воспаление среднего уха), и ему, как и многим израильским родителям, приходилось постоянно ездить по ночам в приёмные отделения больниц. Именно этот опыт бесконечного ожидания в очередях из-за хронической и известной проблемы вдохновил Гилада найти технологическое решение проблемы, позволяющее сократить количество ненужных визитов к докторам.

Как и многие израильские стартапы, TytoCare нашла рынок для своих новаторских разработок в США. Израильские технологии дистанционного обследования, позволяющие значительно сэкономить на визитах к врачам, были сертифицированы FDA. Американская ассоциация телемедицины в 2017 году наградила TytoCare за лучшую разработку в данной области.

Доктор Шахар Коэн и его коллеги из израильского университета, расположенного в городе Ариэль в Самарии, разработали прибор, внешне напоминающий ручные часы, который больные надевают на кисть руки. Прибор позволяет записывать симптомы болезни (непроизвольные дрожательные движения), делая до 300 замеров за секунду, и обеспечивая полную картину симптомов. Большое количество данных позволяют изучить течение болезни и назначить верное лечение. Конечной целью создания такого прибора является разработка методов полного излечения болезни.

Израильская компания Health Watch Technologies одной из первых в мире реализовала на практике идею «одежды будущего», способной следить за состоянием здоровья человека и передавать жизненно важную информацию врачу в режиме реального времени. Датчики пульса, артериального давления, сердечного ритма и температуры тела вплетены прямо в ткань футболок hWear. «Умная одежда» регистрирует также повышенное потоотделение и падения пациента. Футболки hWear, уже получившие одобрение FDA и аналогичного европейского органа, способны снимать электрокардиограмму в пятнадцати отведениях – их ношение заменяет холтеровскую электрокардиографию. И самое невероятное: это чудо можно стирать в стиральной машине вместе с обычным бельем. Такие футболки идеально подходят для людей, недавно перенёсших инфаркты, для находящихся в стационаре пациентов, для пожилых людей, ведущих активный образ жизни, и просто «для спокойствия души» всех, кто подозревает у себя какие-то проблемы со здоровьем. Параллельно с одеждой тель-авивская компания создала специальное программное обеспечение, позволяющее собирать информацию и посылать её на смартфон владельца или врача. Компания продемонстрировала свою продукцию на ежегодной конференции Американской Ассоциации телемедицины (АТА). Гендиректор Health Watch Ури Амир подчеркнул, что одежда hWear, в отличие от изделий других фирм, способных только регистрировать частоту сердечных сокращений, представляет собой настоящий медицинский прибор, фиксирующий важнейшие жизненные показатели, включая правильность сердечного ритма и ишемические изменения на ЭКГ.

Саймон Черри и Рамси Бадауи в университете Калифорнии в Дэйвисе занимаются создание первого в мире ПЭТ-сканера для сканирования всего организма. В отличие от рентгена и МРТ-сканирования, при помощи которых получают структурные изображения организма, позитронно-эмисионный томографический сканер позволяет получить изображения на молекулярном уровне. По утверждению Саймона Черри, профессора радиологии и биомедицинской инженерии в Университете Калифорнии в Дэйвисе, при помощи таких изображений учёные смогут рассказать о том, как именно функционируют клетки организма человека. К примеру, можно будет узнать, как активно происходит клеточный метаболизм или их деление. Такие данные будут весьма полезны при диагностике онкологических заболеваний, например, для уточнения, помогает ли вводимый препарат понизить метаболизм раковой опухоли. Новый сканер отличается своими размерами: современные ПЭТ-сканеры способны выполнять изображения лишь отдельных частей организма, тогда как Explorer сможет выполнить изображение всего организма.

Как верно подмечено, болезнь лучше предупредить, чем потом лечить. Тут на помощь приходят современные средства профилактики. Один из методов профилактики болезней – заблаговременное уничтожение болезнетворных бактерий. Особенно на больничном белье и одежде врачей.

Учёные из Бар-Иланского университета (Израиль) разработали нанопокрытие для больничных простыней и халатов, при соприкосновении с которыми гибнут бактерии, устойчивые к антибиотикам. Антибактериальное покрытие для ткани появилось в результате работы над проектом по созданию «не вонючих» армейских носков. По словам профессора Аарона Геданкена, чудо-носки пока не созданы, однако, использовавшаяся при их разработке идея пригодилась для создания антибактериального покрытия для тканей. Достоинством этой разработки является то, что покрытие из наночастиц может наноситься на любую тканевую поверхность. При этом простыня с покрытием ни внешне, ни на ощупь не будет отличаться от обычной простыни. Технология была опробована на текстильных предприятиях Румынии и Италии. А результаты проведённых опытов свидетельствуют: в результате соприкосновения с тканью выживают лишь 1 из 100 тысяч микробов. По словам учёных, ткань сохраняет свои свойства после 65 стирок при температуре 95 градусов.

Супербактерии являются бедой современных больниц. Ежегодно они уносят жизни сотни тысяч пациентов. Против них не помогают ни обычные средства гигиены, ни дезинфекция. Согласно отчёту Минздрава Израиля, только в 2010 году в израильских больницах было зарегистрировано 3700 случаев заражения крови в результате осложнений, вызванных так называемыми супербактериями. Согласно медицинской статистике, в 40% случаев подобное заражение заканчивается летальным исходом. Это означает, что только в 2010 году супербактерии убили около 1500 израильтян, на 7% больше, чем в 2009 году.

Немаловажно в профилактике заболеваний определение качественного состава пищи, отравления являются одной самых распространённых «рукотворных болезней». Здесь интересен уникальный смартфон, который представили в Университете Тель-Авива. Как утверждают эксперты, новый гаджет может стать настоящим прорывом. Устройство оборудовано специальной камерой, работающей в гиперспектре: камера улавливает лучи, невидимые для человеческого глаза, и определяет состав продукта. По словам учёных, при походах в магазин новинка может стать столь же необходимым предметом, как и кошелёк. Покупатель сканирует продукты, узнавая, из чего они состоят, и нет ли в них вредных компонентов, например, остатков пестицидов.

Учёные пояснили, что каждое вещество обладает собственным электромагнитным отпечатком и скрыть его присутствие невозможно. Разработал гиперспектральную камеру профессор тель-авивского университета Д. Мендловик. Небольшое устройство идеально подходит для смартфонов. Разработчики уверены, что технологию можно смело применять в массовом производстве, просто совмещая гиперспектральную камеру с основной камерой смартфона. Чтобы начать сканировать продукты, пользователю придётся загрузить на устройство приложение. Установка осуществляется стандартным образом. Базовую модель смартфона-детектора представили на выставке MWC в Испании. Учёные из Тель-Авива при разработке технологии пользовались биотехническими системами компании Ramot Tech. В будущем планируется оборудовать гиперспектральными камерами все смартфоны, чтобы человек мог понять, из чего сделана котлета, которую ему принесли в ресторане.

Как у всего в этом мире, у медицинских инноваций есть и обратная сторона, на что обратила внимание здравоохранительных органов команда учёных испанского Университета Ровира и Вирхилий. По данным организации экономического сотрудничества и развития, наночастицы присутствуют сейчас в 1300 коммерческих продуктах, от косметики и пищевых продуктов до строительных материалов, красок, масел, электроники и фармацевтики. Испанские исследователи напомнили, что некоторые виды наночастиц способны проникать внутрь липидного слоя, защищающего клетки организма. При этом мы не знаем, как они могут воздействовать на человека, животный мир и окружающую среду ‒ надёжные инструменты измерения объектов наномасштаба отсутствуют. В ходе компьютерной симуляции учёные из Испании впервые создали так называемый «идеальный двойной слой» липидов, при помощи которого провели эксперимент и увидели, что наночастицы размером около 5 нм (равно толщине мембраны) застревают в ней, а супергидрофобные наночастицы не только проникают в мембрану клетки, но и могут произвольно выходить оттуда. «Обычно считается, что чем меньше объект, тем проще ему проникать сквозь барьеры. Здесь мы видим обратную ситуацию: наночастицы размером больше 5 нм могут произвольно проходить через двойной слой», ‒ говорит доктор Владимир Баулин, руководитель исследования. А наночастицы меньшего диаметра застревают. Возможность быстрого перемещения крошечных наночастиц через защищающие клетку липидные барьеры указывает на необходимость пересмотреть нормы безопасности наноматериалов, поскольку они могут оказывать воздействие на здоровье потребителей.

В заключение немного про нанороботов с картинками. Наномедицина у многих сейчас на слуху, но стоит отметить, что в общеустоявшемся понимании, особенно среди обывателей, наномедицина ассоциируется не столько с лечебными формами, содержащими лекарственные средства в виде нанокапсул, что сейчас с успехом применяется, а с медицинскими нанороботами, наноботами и прочими нанолекарями, что покуда существуют лишь в головах исследователей да в публикациях продвинутых журналистов. Направление мысли в общем-то верное, в будущем оно так, наверно, и будет – диагностика и лечение будут осуществляться с использованием «умного» наноразмерного инструментария, который мы именуем «нанороботами», а потому стоит показать на наглядных примерах, как нас будут лечить невидимые простым глазом помощники медиков. Не беда, что картинки эти весьма условны, главное они доходчиво демонстрируют принцип действия такого сложного лечебного механизма как нанороботы.

Для выполнения поставленной перед ним задачи медицинский наноробот, прежде всего, должен добраться до места назначения – пораженных, больных, умерших клеток. Для этого ему необходим движитель и система навигации по организму. Для распознавания объекта своей миссии наноробот должен быть снабжен сенсорами, мониторящими окружающую среду и выделяющими среди всех прочих объектов цель. Для доставки на место лекарственных препаратов нанороботу требуются грузовые отсеки или транспортные манипуляторы для захвата и транспортировки груза. Для работы на месте нанороботу надо иметь рабочие манипуляторы. При работе наноробота в составе команды нанороботов он должен иметь систему связи с другими членами команды.

Устройство медицинского наноробота общего назначения

Медицинский наноробот-разведчик, выявляет больные, поражённые, мёртвые клетки

Медицинский наноробот-грузовик, осуществляет доставку лекарственных средств в очаг болезни

Медицинский наноробот-охотник, отслеживает в организме вирусы и болезнетворные бактерии и уничтожает их

В планах ученых – совместить в нанороботах терапию с диагностикой. Такая методика лечения называется тераностикой – областью медицины, сочетающей в себе терапию и диагностику, когда врачи используют одну технологию и для диагностики, и для лечения заболевания в ходе общей процедуры. В наномедицине эту процедуру выполняют специализированные нанороботы.

Наноробот-тераност – медицинский наноробот, совмещающий функции диагностики и лечения.

Представленные картинки не есть воплощённая реальность. Это, скорее, художественный образ, помогающий нам понять устройство и принцип действия невидимых нами объектов, каковыми являются нанороботы.

Нанороботы – лишь малая часть огромного массива передовых медицинских технологий, которые либо уже вошли, либо в будущем войдут в жизнь рядового обывателя. Какими будут эти технологии сейчас даже представить затруднительно. Одно очевидно – главенствующую роль в этом процессе играют инновационные системы, от их развития в разных странах будет зависеть скорость вхождения в нашу жизнь современной медицины.

Беспилотники

В предыдущей главе было сказано, что наиболее острыми глобальными экологическим проблемам сегодня считаются утрата биоразнообразия, изменение климата, доступ к качественной воде и другим ресурсам, и было высказано предположение, что достижения и других технологий, а не только «классически зелёных», будут привлечены к их решению. «Будут привлечены» – слишком осторожно сказано: многие плоды инновационных систем в формате результатов новых технических решений уже привлечены и к изучению экологических проблем, и к их решению. Одним из примеров такого рода конвергенции технологий на ниве экологии являются беспилотные летательные аппараты (БПЛА) или в просторечии – беспилотники.

Здесь надлежит сделать небольшое отступление, чтобы определиться с терминологией. Беспилотник – значит «без пилота», пилот управляет воздушным транспортным средством, то есть беспилотник по своей первоначальной сути – воздушное транспортное средство без пилота на борту. До поры до времени так оно и было, и беспилотниками называли преимущественно летательные аппараты без лётчика. Все остальное, что само ездило и плавало, было на уровне игрушек или немногочисленных опытных образцов и называлось просто «радиоуправляемые модели». Но с развитием средств связи, автоматики, управления и компьютерной техники стали появляться традиционные транспортные средства в нетрадиционном исполнении: автомобили без водителя, корабли без экипажа, поезда без машиниста. И управление ими могло осуществляться не только посредством радиосвязи, но и через бортовой компьютер. Поскольку в технике уже существовал аналог таких транспортных средств в виде самолётов без лётчика под название «беспилотник», то этот термин получил более широкую трактовку, нежели беспилотный летательный аппарат, и распространился на все прочие транспортные средства без человека на борту в качестве средства управления, так сказать. Именно в этом смысле – управляемое транспортное средство без человека на борту – и будут рассматриваться беспилотники в контексте данной главы с привязкой к той стихии, к какой они принадлежат: земле, воде или воздуху. Причём наряду с термином «беспилотник» будет использоваться и название «дрон», что по сути то же самое, только с англоязычным звучанием.

Возвращаемся с чего начали. Беспилотники, используемые в экологических целях, принято называть «экодронами». От обычных они ничем не отличаются, приставка призвана подчеркнуть их сугубо мирное научное назначение. Экологов в дронах, помимо всего прочего, привлекает то, что в отличие от самолётов или спутников, БПЛА могут находиться ближе к исследуемому объекту вплоть до взаимодействия с ним, выполняя при этом:

— мониторинг состояния атмосферы, как для выявления глобальных изменений в земной атмосфере по примеру проекта NASA ATTREX, где американский стратегический разведывательный дрон Global Hawk задействован для измерения влажности, концентрации озона и других параметров стратосферы, так и для локального контроля состояния воздуха по примеру китайских экологических проектов, где дроны используются для мониторинга загрязнения воздуха над электростанциями, заводами, теплоходами и другими источниками загрязнения воздуха;

— мониторинг загрязнения мирового океана и морских побережий по примеру научной экспедиции Race for Water Odyssey (Одиссея в поисках воды), которая собирает данные об уровне загрязнения мирового океана пластиком в ходе обследования береговых линий, используя дроны eBee швейцарской компании senseFly;

— мониторинг лесов: обнаружение незаконных вырубок, выявление поражений лесных массивов в результате размножения насекомых-вредителей, распознавание очагов пожаров на стадии их зарождения, картографирование лесных угодий;

— борьба с браконьерамина на суше и на воде, так в Кении в тех районах национальных парков и заповедников, которые патрулируются дронами, число преступлений сократилось на 96 %, в Мексике с помощью дронов борются за спасении морских черепах, выслеживая сборщиков их яиц, в Латвии дроны используются для выявления рыбаков, незаконно устанавливающих сети;

— наблюдение за редкими видами животных и птиц, их подсчёт и идентификация в местах обитания с применением видео и аудиоаппаратуры, устанавливаемой на дроны, так в Индонезии с помощью дронов удалось найти в тропических лесах места обитания орангутанов и узнать количество оставшихся представителей вида.

Это лишь несколько примеров использования беспилотников в экологических целях. Интерес к ним в наше время проявляется во всех сферах человеческой деятельности во всех цивилизованных странах. Общую картину коммерческого применения БПЛА можно представить на основе данных, собранных аналитическим подразделением сайта Business Insider – BI Intelligence (рис. 1).

Рис. 1. Структура пользования коммерческими БПЛА в США на март 2016 года

Хотя эти данные относятся только к США, в иных странах распределение по секторам может отличаться, и значительно, с учётом уровня их развития, предложений продавцов БПЛА и потребностей покупателей аппаратов, но по этой информации можно ориентироваться на перспективы применения беспилотников в других странах. Ведь направление и темп движения по пути прогресса задаёт идущий впереди.

А началом отсчёта применения беспилотников можно считать 1849 год, когда австрийская армия использовала для бомбардировки Венеции беспилотные воздушные шары с часовым механизмом на борту для сброса шрапнельных зарядов. Хотя практический эффект от такой боевой операции был мизерный, но шума эта затея наделала много, и вошла в анналы истории как начало эры БПЛА. Техническая реализация идеи дистанционного управления аппаратами была продемонстрирована компанией «Электрические торпеды Симса-Эдисона», которая в 1892 году представила управляемую по проводам торпеду, а существенным толчком к созданию дистанционно управляемых аппаратов стало открытие электричества и изобретение радио. На основе этих достижений науки и техники британец Эрнест Уилсон в 1897 году запатентовал систему для беспроводного управления дирижаблем, а в 1899 году на выставке в Мэдисон-Сквер-Гарден инженер и изобретатель Никола Тесла показал публике миниатюрное радиоуправляемое судно.

С разной степенью успеха работы по созданию дистанционно управляемых аппаратов велись и во время Первой мировой войны, и во время Второй мировой войны, и в период затишья между ними, когда с лёгкой руки капитана третьего ранга Делмара Фарни, возглавлявшего проект радиоуправляемой авиации ВМФ США, за БПЛА укрепилось альтернативное название «дрон» (drone – трутень), которое капитан Фарни употребил в своём отчёте в 1936 году. На время между мировыми войнами приходится и начало серийного производства беспилотника, способного осуществлять не только взлёт с полётом, но и посадку. Им стал созданный в 1933 году британскими инженерами биплан DH.82B Queen Bee. Только вот основное его применение было незавидное – этот БПЛА использовался в качестве мишени для зенитчиков и истребителей.

Роль мишени была основным амплуа дронов вплоть до 60-х годов прошлого века. Лишь в конце 50-х годов начались масштабные, а не разрозненные работы над проектами беспилотников в роли разведчиков, и в американские войска стали поступать беспилотные разведывательные самолёты Ryan Model 147A Fire Fly и Ryan Model 147B LIghtning Bug, разные модификации которых эксплуатировались до начала XXI века. В то же время в США был разработан и передан военно-морскому флоту первый боевой вертолёт-БПЛА Gyrodyne QH-50 DASH, вооружённый торпедами и глубинными бомбами для борьбы с подводными лодками. Помимо совершенствования элементной базы для электронной начинки дронов, дальнейшим разработкам и производству армейских беспилотников способствовал опыт войны во Вьетнаме, где разведывательные БПЛА США совершили почти 3500 вылетов, показав при этом свою высокую эффективность в районе боевых действий при полном отсутствии потерь среди личного состава.

Одним из первых ярких эпизодов боевого применения беспилотников стала операция «Арцав-19», проведённая 9 июня 1982 года израильской авиацией против сирийских сил противовоздушной обороны во время боевых действий в долине Бекаа в Ливане. В операции принимали участие дроны «Мастиф» и «Скаут» израильского производства, которые осуществляли разведку сирийских аэродромов, позиций ЗРК и передвижения войск. Помимо разведки на беспилотники была возложена задача наведения на цели ракет, выпущенных с истребителей. Совместное применение истребителей, как носителей боевых управляемых ракет, и беспилотников с телекамерами на борту, как средств управления боевыми ракетами при их заходе на цель, привели к ошеломляющему результату: в ходе операции «Арцав-19» было уничтожено 18 ЗРК и 86 самолётов.

На новый уровень боевого применения БПЛА вышли на волне развития средств связи и навигации, в первую очередь системы глобального позиционирования (GPS), которая стремительно вошла в нашу жизнь на рубеже 90-х годов прошлого века, а развитие технологий, накопление боевого опыта и изменения в отношении высшего командования стран НАТО к применению дронов в боевых действиях постепенно выдвинули БПЛА на передний край войны: из разведчиков и наводчиков они превратились в самостоятельную ударную силу.

В начале XXI века основным вектором развития БПЛА стало повышение их автономности вплоть до самостоятельного принятия на поле боя тактических решений на основе поставленных боевых задач при взаимодействии с другими средствами ведения боевых действий. В рамках решения этой задачи в США был создан и прошёл лётные испытания многоцелевой боевой беспилотный самолёт X-47B, умеющий самостоятельно взлетать и приземляться, в том числе на палубу авианосца, а в апреле 2015 года БПЛА X-47B полностью в автоматическом режиме произвёл первую в истории дозаправку в воздухе.

От достижений в области создания БПЛА, ставших уже историей, обратимся к дню сегодняшнему. И снова продолжим рассказ про беспилотники военного назначения, поскольку, по большей части, именно в военных лабораториях или по заказу оборонных ведомств, несмотря на всплеск интереса к дронам мирного назначения, рождаются наиболее перспективные в техническом плане решения, создаются весьма совершенные с инженерной точки зрения изделия и отрабатываются самые необычные технологии их использования. Потому и рынок военных БПЛА постоянно растёт: согласно отчёту нидерландской консалтинговой фирмы ASD, в 2016 году оборот рынка военных беспилотных летательных аппаратов составил 8,5 миллиардов долларов, а к 2022 году оборот рынка военных БПЛА вырастет до 13,7 миллиарда долларов. Крупнейшими игроками на этом рынке являются три американские корпорации: AeroVironment Industries, General Atomics Aeronautical Systems, Northrop Grumman, и два израильских концерна: «Израильская авиационная промышленность» (IAI, ТАА) и «Эльбит Маарахот».

Нестандартное техническое решение и необычную технологию применения беспилотников предложили американские учёные, занимающиеся разработкой различной военной техники. Они разработали и изготовили опытную партию миниатюрных беспилотных летательных аппаратов, каждый из которых помещается на ладони руки. Беспилотник, который получил название Цикада (Cicada), по словам его разработчиков, представляет собой нечто вроде мобильного телефона с крыльями. Многочисленный рой таких беспилотников, будучи выпущенным на большей высоте с самолёта, опустится на поверхность точно в заданном месте, выполняя по пути и после посадки поставленные задачи при помощи встроенных в их электронный блок датчиков разного типа.

«Мы можем сбросить с самолёта сколь угодно большой рой таких беспилотников, – рассказывает Аарон Кан, сотрудник Научно-исследовательской лаборатории ВМС США, – и при достаточно большом количестве таких аппаратов у противника не будет никакой возможности ни найти их всех, ни подавить их другими способами». Название Cicada является аббревиатурой от Covert Autonomous Disposable Aircraft. Конструкция этого аппарата разработана с учётом её максимальной простоты, малых габаритов и небольшой стоимости. На разработку и изготовление опытных образцов таких аппаратов потрачены тысячи долларов, но, в конце концов, его стоимость не будет превышать 250 американских долларов.

Беспилотник Cicada, чем-то напоминающий бумажный самолётик с электронной печатной платой, состоит из десяти деталей, среди которых нет никакого двигателя. Этот летательный аппарат лишь способен планировать к точке с заданными GPS-координатами, будучи выпущенным с самолёта, вертолёта или другого беспилотника большего класса. Лишённый двигателя, аппарат Cicada может лететь со скоростью 75 километров в час, маневрируя в воздухе и корректируя свою траекторию по GPS-координатам. Во время первых испытаний беспилотников Cicada они были сброшены с самолёта на высоте 17500 метров. За время полёта этот маленький аппарат пролетел по горизонтали более 17 километров, приземлившись за пять метров от заданных координат. Во время этих испытаний на плате беспилотника были установлены датчики, измеряющие окружающую температуру, атмосферное давление и влажность воздуха. Но такие аппараты, которые могут быть снабжены датчиками совершенно различных типов, в том числе и высокочувствительными микрофонами, могут быть использованы для выполнения бессчётного количества типов заданий.

«Это своего рода автоматизированные почтовые голуби, – рассказывает Аарон Кан. – Вы задаёте им точку назначения и они добираются туда любым доступным им способом». Одной из первых задач, решение которых планируется возложить на беспилотники Cicada, станет контроль перемещения техники на территории противника. «Мы оборудуем аппараты микрофонами, миниатюрными сейсмометрами и посадим их по длине участка дороги, которую нам требуется контролировать, – рассказывает Аарон Кан. – Каждый аппарат будет регистрировать звук и сотрясение земли от двигающейся техники, и мы получим возможность узнать её количество, приблизительные параметры, скорость и направление движения».

Кроме этого, миниатюрные беспилотники могут нести на себе магнитные датчики, способные обнаруживать вражеские субмарины, или шпионское оборудование, при помощи которого они смогут подслушать разговоры и выполнить перехват радиосообщений. Несмотря на столь строгую военную ориентацию, первое практическое использование беспилотников Cicada будет в более мирной области – в области мониторинга и предсказания метеорологических условий. Учёные-метеорологи, пытаясь спрогнозировать образование торнадо и ураганов, используют данные, собираемые, в основном, у поверхности земли. Беспилотники Cicada могут им предложить сбор данных с разных высот, давая учёным возможность построения реальных трёхмерных моделей, по которым можно более точно прогнозировать изменения метеорологических условий.

Миниатюризация дронов военного назначения – своего рода тренд в дроностроении. Еще один пример из этой серии – нанодрон Black Hornet Nano, размер которого – всего 10х2,5 см, а масса – около 18 граммов. Американские военные испытали его на полигоне и остались довольны результатом. Black Hornet Nano – миниатюрный дрон, внешний вид которого напоминает вертолёт. Создан он был норвежской компанией Prox Dynamics и является одним их самых маленьких в своём классе устройств. Модель PD-100, тем не менее, обладает весьма солидными функциональными возможностями. В частности, в дроне имеется тепловизор, который эффективно работает на расстоянии до километра. Аккумулятор устройства обеспечивает до 25 минут полёта. Управляется дрон с пульта управления, похожего на джойстик для компьютерных игр. Видео с устройства можно смотреть на экране в режиме реального времени. Если враг захватит дрон, он не сможет получить с него информацию, так как она сохраняется в модуле памяти, который находится у пилота. Таким образом, Black Hornet Nano идеально подходит для бесшумной и незаметной разведки. Источник, близкий к министерству обороны США, утверждает, что у американской армии имеются в распоряжении несколько таких дронов, каждый из которых стоит порядка 40 тысяч долларов, и их испытания проводятся с начала марта 2015 года. Эту информацию подтверждает Арне Скйяерпе, СЕО и президент Prox Dynamics. Такие устройства имеются и в арсенале армии Великобритании – британские военные использовали Black Hornet Nano в разведывательных миссиях в Афганистане.

Сверхмалые размеры и дешевизна минидронов привносят в военное дело новые технологии. В целях отработки одной из них DARPA провело испытательный запуск с истребителя стаи одноразовых беспилотников Perdix. Такие аппараты предназначены для запуска с самолёта и быстрого сбора важных данных, которые позволят лётчикам точнее идентифицировать цели и наносить удары. Во время боевых действий многофункциональные истребители нередко используются для нанесения ударов по наземным целям. При этом информацию о целях предоставляет разведка, которая иногда может допускать ошибки. Результатом таких ошибок становится или разрушение гражданской инфраструктуры, или гибель гражданских. Использовать обычные беспилотники перед нанесением бомбового или ракетного удара не всегда возможно, в том числе из-за того, что относительно крупный аппарат могут сбить. Кроме того, существующие разведывательные аппараты невозможно запускать с боевых самолётов, хотя системы связи и позволяют передачу данных с аппарата истребителю. Новые беспилотники Perdix спроектированы таким образом, чтобы истребители могли запускать их из стандартных автоматов отстрела ложных тепловых целей. Беспилотники имеют складные переднее и заднее крыло. После запуска аппараты низко пролетают над целью и передают на борт самолёта разведывательные данные. Для существенного удешевления конструкции корпус Perdix выполнен из пластика – его печатают на 3D-принтере. За движение аппарата отвечает небольшой электромотор с толкающим воздушным винтом.

В DARPA дронов, которые можно запускать с самолётов называют «гремлинами», то есть сказочными озорными бесами, ставшими талисманами удачи для многих британских пилотов во времена Второй мировой. Они станут недорогими многоразовыми дронами, способными выполнять роли разведчиков и наблюдателей. Также их можно будет использовать для устранения целей. В теории стая «гремлинов» может налететь на вражеский самолёт, заглушить связь и радар, обескуражить пилота, оставаясь слишком малыми и многочисленными, чтобы их можно было сбить ракетой или пулемётом. «Гремлинов» придётся делать многоразовыми, но долгоживущими, наряду с «недорогим и недолгоживущим носителем». По мнению руководителя программы в DARPA Дэна Патта, «мы не будем выбрасывать весь носитель, двигатель, авионику и полезный груз после каждой миссии, как в случае с ракетами, но и не хотим поддерживать полное обеспечение и затраты, как в случае с современными многоразовыми системами, рассчитанными на десятилетия работы». Также потребуется хороший искусственный интеллект и ориентация в пространстве, чтобы дроны могли вылетать и возвращаться в самолёт-авианосец, избегая столкновений в процессе операций. В перспективе видится, что небольшие, разумные, манёвренные дроны из сферы военного использования проникнут в области гражданских применений.

Ориентации миниатюрных дронов в пространстве, улучшению их манёвренности и выполнению задач в составе «роя» поспособствует разработка исследователей из Швейцарского федерального политехнического университета Лозанны (Swiss Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, EPFL), которые создали искусственный глаз, основанный на строении глаз насекомых. Изделие швейцарцев легло в основу навигационной системы, которая позволит миниатюрным беспилотникам воспринимать окружающий мир и ориентироваться в нем, выполняя поставленные перед ними задачи. Это далеко не первая разработка по созданию предназначенных для беспилотных летательных аппаратов датчиков, прототипами которых являются элементы тела насекомых. Однако это впервые было применено по отношению к миниатюрным аппаратам. Все предыдущие попытки оснастить системой видения минибеспилотники сводились к максимальной миниатюризации камер обычного типа, которые заканчивались с разной степенью удачи. Между тем, система видения в стиле «глаз насекомых» подходит для использования в беспилотных летательных аппаратах как нельзя лучше. Во-первых, такие системы не обладают большой разрешающей способностью, поэтому для обработки потока данных от них требуются весьма скромные вычислительные мощности. Во-вторых, такие системы имеют достаточно высокую чувствительность по отношению к регистрации движущихся объектов и света, отражённого от различных предметов. Все эти параметры системы видения позволят вести крошечный летательный аппарат даже в условиях ограниченного пространства с большим количеством препятствий. Искусственный глаз, созданный швейцарскими исследователями, весит всего 2 миллиграмма. Он состоит из трёх фотодатчиков, каждый из которых оснащён своей линзой. Обработка данных от этих фотодатчиков, которые расположены треугольником, позволяет системе видения определить скорость и направление движения, как в условиях плохой освещённости внутри закрытых помещений, так и на открытом пространстве при ярком солнечном свете. А быстродействие системы в целом превышает в три раза скорость реакции реальных насекомых. Разработав конструкцию фотодатчика и сопутствующие программные алгоритмы, исследователи планируют установить несколько таких «глаз» на один экспериментальный летательный аппарат, создав достаточно сложную визуальную систему. Возможностей такой системы, по мнению исследователей, будет достаточно для осуществления самостоятельного взлёта и посадки минидрона и для его стабилизации во время полёта. В планах исследователей стоит создание полосы искусственных глаз, размещённых на поверхности липкой ленты, которая может быть помещена на любые типы поверхностей, принося возможности компьютерного видения роботам, элементам систем «умный дом», бытовой технике, мебели и даже одежде.

Тренды трендами – но классика вечна, спрос на дроны классического размера никуда не денется, они как разрабатывались, так и будут разрабатываться. Из этого ряда в феврале 2014 года израильская компания Israel Aerospace Industries показала на авиасалоне в Сингапуре разведывательный беспилотный летательный аппарат Super Heron HF. В этом беспилотнике используется двигатель мощностью 200 лошадиных сил производства итальянской компании Diesel Jet. В отличие от предыдущей версии беспилотника, новый Super Heron HF (HF – Heavy Fuel, тяжёлое топливо) работает на дизельном топливе. Аппарат также отличается увеличенными скороподъёмностью, скоростью полёта (150 узлов против 125 узлов у Heron 1) и максимальной взлётной массой (1,45 тонны против 1,25 тонны). Super Heron HF комплектуется тремя наборами бортового оборудования для обеспечения надёжности, увеличенным набором полезной нагрузки и законцовками крыла. Благодаря последним удалось значительно сократить расход топлива и увеличить время пребывания в воздухе приблизительно вдвое.

Другая израильская компания Uvision из посёлка Цур Игаль представила серию вызывающих все больший интерес в последние годы так называемых «блуждающих вооружений». Речь идёт о беспилотных летательных аппаратах, способных передавать изображение цели, настигать её и уничтожать. Компания предложила 6 различающихся по дальности и мощности моделей, названых HERO. Самые крупные из них весят порядка 100 килограмм и способны барражировать над районом, где находится предполагаемая цель, до 6 часов. Всё это время они передают своим операторам изображение патрулируемой местности. В тот момент, когда цель найдена или зафиксировано ожидаемое событие, например, боевики собрались вместе, запускают ракету или намерены совершить другую акцию террора, беспилотник превращается в камикадзе, в считанные секунды и с большой точностью пикирующего на врагов и взрывающегося вместе с ними. Самый маленький HERO-30 весит всего 3 килограмма и может быть запущен бойцом в ходе уличного боя, когда трудно определить источник огня. Он «выстреливается» в небо под давлением воздуха, подобно пробке из бутылки шампанского. Используя электрический моторчик, такой аппарат способен в течение получаса кружить над районом и передавать бойцу изображение со встроенной камеры. Когда же цель обнаружена, он взрывает её.

Переосмысление технологии использования беспилотников предвещает настоящую технологическую революцию в военно-воздушных силах. В США они станут ядром создаваемой DARPA «системы систем» (SoSITE – System of Systems (SoS) Integration Technology and Experimentation), которая обеспечит беспрецедентную интеграцию оборудования и программного обеспечения истребителей, грузовых самолётов и БПЛА. Основанная на принципе открытых архитектур, SoSITE упростит и ускорит обновление и модернизацию устаревающих боевых единиц, систем и программ. Одна из главных задач SoSITE – изменение самого представления о том, что такое авиация, трансформация философии военного дела.

В оборонной отрасли уже давно идут разговоры о новых возможностях, предоставляемых роящимися дронами. SoSITE использует данную идею в своих целях. Отдельные боевые беспилотники уже давно применяются Соединёнными Штатами в Афганистане и Пакистане, однако в будущем их использование будет расширено. SoSITE может работать на основе уже применяющихся вооружений, без существенных доработок и модификаций. Несмотря на технологическую сложность реализации проекта, он не потребует астрономических затрат. Соперники США в обозримом будущем не будут иметь ни возможностей, ни времени для разработки систем, способных противостоять System of Systems Integration Technology and Experimentation.

Схема работы SoSITE

Главная идея, лежащая в основе проекта, проста по сути, но сложна в реализации – функции, сосредоточенные на данный момент в одном истребителе американских ВВС, будут распределены: часть из них перейдёт беспилотному самолёту-спутнику и целым полчищам БПЛА и управляемых ракет. Фактически на смену отдельным истребителям придут сложные, многокомпонентные боевые группы, которые будут подчиняться единой «системе систем», ускоряющей во много раз передачу информации при высоком уровне интеграции всех компонентов.

Беспилотники займутся сбором сведений о вражеских системах противовоздушной обороны и радиолокации. Многочисленные дроны будут пересылать полученную ими информацию на компьютер истребителя, находящегося за пределами зоны действия радаров противника. Пилот будет иметь возможность самостоятельно принимать решение о дальнейших действиях, однако нагрузка на него будет минимальна благодаря автоматизированной системе компьютерного управления Distributed Battle Management. Коммуникация будет обеспечиваться разрабатываемой сейчас программой «Связь в условиях повышенной сложности» (Communicationsin Contested Environments, C2E). Крейг Лоуренс, руководитель проекта Distributed Battle Management, сообщил, что новая система учтёт новейшие технологические достижения, при этом максимально упрощая взаимодействие пилота и машины.

Сам истребитель станет, по преимуществу, командным центром. Основная часть оружия, радиоэлектронные системы, сенсоры и БПЛА будут перевозиться сопровождающим беспилотным грузовым самолётом, похожим на Локхид С-130 Геркулес. Это позволит уменьшить заметность истребителя. Оборудованные антирадарами дроны будут запускаться со второго самолёта. После проведения разведки они будут возвращаться на место своей постоянной дислокации. По словам DARPA, управление ими будет таким же лёгким, как общение с коллегами-пилотами. Беспилотники смогут достаточно близко приближаться к радарам противника, подавлять их сигналы для обеспечения собственной безопасности и отправлять изображения целей командному центру. Компьютерные системы истребителя будут сопоставлять полученные сведения с данными собственных сенсоров и предоставлять пилоту уточнённую информацию о цели.

Если пилот истребителя примет решение об атаке, с сопровождающего самолёта будет выпущен рой миниатюрных крылатых ракет (LCCM). Большинство из них неизбежно будет уничтожено ракетами класса «земля-воздух» противника, однако некоторым удастся достигнуть цели и поразить её – это относится и к российским зенитно-ракетным системам С-300. Описанная схема позволит ВВС США пробить достаточно большую брешь в обороне врага и проникнуть через неё на менее защищённую территорию. При этом ПВО противника растратят большое количество дорогих противоракет. Разработчики отмечают, что, помимо прочих достоинств системы, она обеспечит большую безопасность лётчикам: не будет необходимости вылета в районы высокого риска. При использовании будущей «системы систем» потери противника будут ассиметричными: несоизмеримо больше, чем у ВВС США. При этом затраты на системы, способные противостоять SoSITE, во много раз превысят бюджет данной программы.

Готовя средства прорыва обороны противника, США не забывают и о своей обороне, где опять же найдётся место для БПЛА. Так Агентство противоракетной обороны США строит планы по созданию новейшего беспилотного летательного аппарата, который бы отличался не только большой дальностью полёта, но и своим оружием – мощным электрическим лазером, предназначенным для уничтожения баллистических ракет. Данный беспилотник, по задумке, будет способен летать на высоте до 20 км и быть практически неуязвимым для авиации и систем ПВО противника. Ещё в 2010 году США испытали на борту самолёта B747-400F противоракетный лазер ABL, мощность которого составляла 1 МегаВатт, что позволило сбить две баллистические ракеты. Но тогда проект был крайне дорогим удовольствием, а сама лазерная установка весьма громоздкой, что и вынуждало использовать самолёт данного типа. Но наука и техника на месте не стоит, спустя несколько лет лазерные технологии были усовершенствованы, и ВВС США планируют в 2021 году провести первый полет стратосферного беспилотника с лазерным оружием на борту.

При разработке и создании БПЛА большинство инженеров в поисках компромисса между возможностями вертолётов с вращающимися винтами и эффективностью самолётов с неподвижными крыльями выбирают решение в виде роторов с изменяемым углом наклона. Но специалисты НАСА предложили иное решение компромисса «крыло-винт» – конструкцию летательного аппарата с поворотным крылом, который может взлетать и садиться подобно вертолёту, а летать как обычный самолёт. Опытный вариант такого летательного аппарата получил название Greased Lightning или GL-10, и в 2015 году он совершил первый успешный испытательный полет, проведённый на полигоне близ Исследовательского центра НАСА Лэнгли, Вирджиния, во время которого он взлетел в вертикальном режиме и автоматически перешёл в режим горизонтального полёта. У опытного образца аппарата GL-10 было установлено по четыре электрических двигателя с каждой стороны от фюзеляжа на основных крыльях и два двигателя на плоскостях хвостового оперения. Эти двигатели черпали энергию, которую им поставляли батареи литий-ионных аккумуляторов и два 8-сильных дизельных двигателя, вращающие роторы электрических генераторов. Аппарат GL-10 имел размах крыльев 6,1 м, чистый вес – 24,9 кг и взлётный вес – 28,1 кг. «Все двигатели, находящиеся с каждой из сторон крыла и двигатели хвостового оперения, объединены в раздельные группы, каждая из которых управляется независимо от других групп, – рассказал Зак Джонс, пилот аппарата GL-10. – Изменяя углы наклона и тягу, вырабатываемую каждой группой двигателей, мы добиваемся такой манёвренности аппарата, которую неспособен продемонстрировать ни вертолёт, ни самолёт». Элементы конструкции аппарата GL-10 были изготовлены при помощи технологий быстрого производства и прототипирования. При этом, за все время была создана целая серия из 12 опытных образцов, которая началась с любительской конструкции из строительной пены и, по мере накопления опыта, превратилась в то, что было продемонстрировано во время испытаний. Согласно данным НАСА, аппарат GL-10 может беспрерывно летать в режиме горизонтального полёта в течение 24 часов, издавая шум, не превышающий уровень шума от газонокосилки с бензиновым двигателем. Такая длительность непрерывного полёта позволит при помощи беспилотников с поворотным крылом решать задачи, связанные с доставкой небольших экстренных грузов, обеспечением связи в удалённых районах или в районах бедствий, осуществлением картографической съёмки и выполнением задач по разведке и наблюдению. А более крупные варианты таких летательных аппаратов смогут поднимать в воздух от одного до четырёх человек вместе с их грузом.

Длительность непрерывного полёта – крайне важный показатель для беспилотных летательных аппаратов. Поэтому все чаще в конструкции БПЛА используются солнечные батареи, которые позволяют получать энергию без посадки на землю. Испытания одной из таких моделей провели специалисты Китайской академии космической аэродинамики. Разработанный ими беспилотник способен развивать скорость до 200 километров в час и при этом находиться в воздухе до нескольких месяцев. Китайский летательный аппарат получил название Caihong-T4 (CH-T4), он имеет размах крыльев в 40 метров, максимальная высота полёта составляет 20 километров. Для полёта используется 4 пары электродвигателей с пропеллерами, получающие энергию от солнечных батарей, установленных на верхней части крыльев аппарата. Также CH-T4 имеет двойное хвостовое оперение, а каждое крыло способно слегка изменять форму в зависимости от условий полёта. Вес беспилотника составляет 500 кг. Подзарядка аккумуляторов происходит в светлое время суток, и их запаса достаточно для того, чтобы CH-T4 продолжал выполнять свою функцию и ночью. Как сообщают конструкторы, при полете на максимальной высоте область охвата «взора» беспилотника составляет около миллиона квадратных километров.

Аналогичный проект разрабатывают в Европе, его цель – создание гибрида спутника и беспилотника, который создатели назвали «стратобусом» (StratoBus). Размах задач, которые должен решать стратобус весьма широк – это и наблюдение за пограничными районами, и морская разведка, и телекоммуникации, и телерадиовещание, и навигация. Кроме того, эта автономная стационарная платформа сможет усилить GSM-покрытие во время массовых мероприятий, а GPS – над участками с интенсивным движением транспорта. Обшивка стратобуса изготовлена из закрученного углепластик, он может брать на борт грузы весом до 200 кг. Длина воздушного судна 70-100 метров, диаметр – 20-30. Стратобус будет парить на высоте 20 километров. Он сможет собирать солнечные лучи в любое время года: солнечные панели дополняет система усиления мощности, а также обратимый тепловой элемент для хранения энергии. Чтобы противостоять порывам ветра, воздушному судну понадобится постоянный источник энергии – два электромотора будут постоянно менять свою выходную мощность, в зависимости от скорости ветра. Руководит проектом фирма Thales Alenia Space, специализирующаяся на космических телекоммуникациях и навигации. В разработке стратобуса участвуют также Airbus Defence & Space, Zodiac Marine and CEA-Liten. Этот проект объединил целый кластер аэрокосмической промышленности южной Франции (предприятия, выпускающие беспилотные летательные аппараты, воздушные шары и стратопланы).

С появлением новых материалов, совершенствованием технических средств и развитием инженерной мысли человечество все ближе подходит к созданию летающего автомобиля. С этой стороны интересен опыт китайского авиационного концерна AVIC, который в 2015 году на Третьей китайской вертолётной выставке в Тяньцзине представил прототип летающего автомобиля – робота под названием Swift Gazelle. Этот беспилотник весит 100 кг и приводится в действие шестью роторами с пропеллерами, установленными по разные стороны кузова автомобиля. Хоть это все походит на большую детскую радиоуправляемую игрушку, но в основе Swift Gazelle лежат все технологии, которые будут использованы при создании полномасштабного летающего транспортного средства. К данной разработке проявили интерес представители китайской Народно-освободительной армии, которые станут покупателями первых летающих автомобилей компании AVIC. Каждый из роторов имеет свою собственную цифровую систему управления, работа которой координируется компьютером основной системы. Благодаря этому, летающий автомобиль Swift Gazelle может совершать вертикальный взлёт и посадку, летать и зависать на месте, подобно вертолёту. А на земле, сложив роторы в соответствующее положение, автомобиль может убежать от любого преследователя.

Естественно, что прототип Swift Gazelle, который имеет небольшие размеры и вес, является беспилотным аппаратом, способным самостоятельно или при помощи дистанционного управления перемещаться как по воздуху, так и по земле. При этом, возможностей системы управления достаточно для того, чтобы Swift Gazelle полностью в автономном режиме мог выполнить несложные задания, связанные с проведением операций по разведке и наблюдению. Однако, в полномасштабном варианте транспортного средства, которое уже окажется способным перевозить людей, будет находиться оборудованное всем необходимым водительское место и водитель сможет брать на себя управления при выполнении особо сложных заданий или при полётах в плохих погодных условиях. Хуань Шуилин, ведущий инженер компании AVIC, надеется, что автомобили типа Swift Gazelle получат широкое распространение в недалёком будущем и станут одним из основных видов средств передвижения. Эти же самые автомобили, с немного изменённой конструкцией, вероятно, станут частью арсенала китайской армии, позволяя солдатам быстро добираться в труднодоступные районы.

Как было определено в начале этой главы, под «беспилотниками» сейчас разумеют не только БПЛА, но и все прочие управляемые транспортные средства без человека на борту, и помимо беспилотных летательных аппаратов, в войсках все больше находят применение сухопутные и водные беспилотники.

Интерес развитых стран к боевым роботам подогревается, прежде всего, тем, что граждане этих государств стали крайне негативно относиться к большим потерям личного состава. Если во время советско-финской войны СССР терял в день 1300 человек убитыми, и это никак не влияло на его решение о сворачивании войны, то в 1989 году потери сподвигли руководство Советского Союза уйти из Афганистана, где в день погибало менее трёх советских бойцов. Аналогичный сдвиг в сознании произошёл и в США: в 1941 году они сражались после потери 2345 человек за 90 минут, а в 1993 году были вынуждены навсегда оставить в покое Сомали после того, как потери там достигли уровня девяти убитых в день.

На сайте ASDReports, размещающим результаты исследования рынков, опубликован прогноз, согласно которому рынок наземных боевых роботов (в основном телеуправляемых) к 2020 году достигнет 8,3 миллиарда долларов. Результаты прогноза сопровождены заявлением, что перед нами большая индустрия, игроки которой отлично понимают, что без внедрения роботизированных боевых машин надеяться на быстрое расширение рынка не приходится.

Одним из примеров такого рода машин является южнокорейская разработка стационарного охранного робота SGR-A1 для патрулирования границы с КНДР, имеющего на борту богатый арсенал камер, тепловых сенсоров и датчиков движения и способного самостоятельно открыть огонь из пулемёта или гранатомёта по любому, пересекающему разграничительные линии (северные корейцы неоднократно использовали переодетых в южнокорейскую форму агентов). Один из режимов работы робота-пограничника будет предполагать отсутствие контроля со стороны человека. Интерес военных Южной Кореи к автономному варианту SGR-A1 легко понять: в КНДР, по оценкам южнокорейской разведки, более 12 тысяч профессиональных кибербойцов, чьей целью является инфильтрация в системы управления БПЛА вероятных противников. Куда будут стрелять SGR-A1, если они не смогут работать в автономном режиме, южнокорейские военные определённо сказать не могут, и, судя по инцидентам с американскими беспилотниками, их опасения не напрасны.

Тут стоит сделать небольшое пояснение по теме боевых роботов для разъяснения ситуации.

К началу XXI века с появлением эффективно телеуправляемых по радиоканалу американских и израильских беспилотных летательных аппаратов дистанционно управляемые машины стали реальным и весьма эффективным оружием. Но самым слабым местом этих войск стал человек-оператор, по вине которого БПЛА постоянно атакуют то мирных жителей, то своих солдат, поскольку оператор на экране не всегда может отделить одних от других. Хотя возможности оператора по точному наведению оружия выше, чем у бойца на фронте (на «удалённого воина» не давит страх смерти), они, в массе своей, стреляют далеко не идеально.

Кроме того появились комплексы радиоэлектронной борьбы, позволяющие перехватить контроль над дистанционно управляемыми машинами врага. Именно благодаря одному из них иранцы в 2012 году захватили новейший американский БПЛА RQ-170. Инцидент такого рода далеко не единичен: иракские повстанцы с помощью российской программы SkyGrabber загружали себе на ноутбуки видео с американских разведывательных беспилотников. Используемая на них ОС делает их лёгкими жертвами простейших вирусов, типа кейлоггера, поразивших системы БПЛА Reaper и Predator в 2011 году. Персонал, обслуживавший машины, оказался настолько слабо готов к борьбе с вирусами, что для получения первичных знаний им пришлось обратиться к веб-странице Касперского.

Решением такой проблемы может стать лишь по-настоящему автономный комплекс, к которому не будут подключаться операторы из Аризоны, подгружающие карты с переносных жёстких дисков, куда они до того скачивали порно (одна из версий инфицирования БПЛА Reaper). У таких систем противник не сможет перехватить управляющий радиоканал, и заставить их работать на Иран или ИГИЛ будет весьма затруднительно.

Но и у автономных боевых комплексов тоже есть свои «тараканы» в их электронных мозгах. Так в своё время командованию армии США пришлось отказаться от боевого применения роботов Talon SWORDS по причине низкого уровня развития технологий управления этими боевыми роботами. По задумке они были должны вести бой в непосредственном соприкосновении с противником, что требует от боевой машины быстрой реакции (обработка информации и принятие самостоятельного решения в сжатые сроки). Реакция оператора может отставать от требований быстро меняющейся боевой обстановки, увеличивая вероятность уничтожения робота. Боевые роботы Talon Swords оказались не в состоянии выполнять такие задачи из-за недоработок программного обеспечения. А из-за ошибок операторов и несовершенства программ управления имели место случаи, когда поведение роботов представляло угрозу жизни своим же солдатам, попросту говоря эти терминаторы с гусеницами могли отрыть огонь по своим вплоть до стрельбы в свой блок управления, за которым стоит оператор.

Место в строю боевых роботов Talon Swords заняли их младшие братья – модульные боевые роботизированные системы MAARS. В проекте MAARS были использованы новые средства управления и программного обеспечения, что дало оператору возможность использовать робот в боевом и безопасном режиме. Чтобы устранить возможность случайной стрельбы по своим, механический гироскоп боевого робота MAARS держит оружие боевого нацеленным в сторону от дружественных позиций и устраняет вероятность открытия огня по своим солдатам. В качестве «защиты от дурака с электронными мозгами», чтобы боевой робот не мог поразить свой блок дистанционного управления, MAARS укомплектован дополнительной программной защитой. Кроме того боевые роботы MAARS оборудованы передатчиком GPS, их можно отслеживать и управлять ими через БПЛА, а спутниковые системы «Blue Force Trackers», по замыслу, должны помочь избежать применение «дружественного огня» (стрельбы по своим союзникам). Роботы проекта MAARS могут использоваться и для не связанных со стрельбой целей таких, как разминирование, исследование помещений, транспортировка раненых. Предусмотрено снятие гусениц и установка вместо них колёс, что повышает эффективность применения боевых роботов в городских условиях.

В концептуальном плане развития боевых роботов и технологии их применения интересен китайский проект Sharp Claw 2 – однотонный шестиколёсный вездеход, оборудованный различными датчиками и камерами, благодаря которым он может работать в автономном режиме. Но то, что делает робота Sharp Claw 2 столь интересным, это то, что он является собственного рода передвижной базой для двух других роботов, которые до поры до времени дремлют в его грузовом отсеке. Первым роботом является летающий робот-квадрокоптер достаточно типичной конструкции, который при помощи своих камер и датчиков может исполнять задачи, связанные с разведкой и скрытным наблюдением. Вторым роботом является робот на гусеничном ходу Sharp Claw 1, который в случае необходимости съезжает из кузова робота Sharp Claw 2 по выдвижному пандусу и может нести на себе вооружение разного типа. Робот Sharp Claw 1 весит около 120 килограмм без учёта устанавливаемого на него орудия и комплекта боеприпасов к нему. По форме и конструкции китайский робот Sharp Claw 1 чрезвычайно напоминает южноамериканского робота Qinetq MAARS и также может нести на себе системы стрелкового вооружения, гранатомёт либо пусковую установку для маленьких ракет. За счёт небольших габаритов робот Sharp Claw 1 может перемещаться по траншеям, туннелям, скрытно подбираясь к данной позиции для проведения стрельбы. Базовый вариант может работать лишь под управлением дистанционного оператора, но ведутся работы по переводу работы боевого комплекса в полностью автономный режим. В опциях армейской роботизированной системы установка дополнительных датчиков, камер и систем стрелкового вооружения, а перспективе разработчики этих роботов обещают снабдить их интеллектуальными системами управления, при помощи которых роботы сумеют самостоятельно выполнять задачи по сопровождению конвоев, патрулированию и пресечению попыток нарушений муниципальных границ и периметров оберегаемых зон.

Наряду с тяжёлыми роботами боевого применения разрабатываются и их облегчённые модели. В этом направлении израильская компания General Robotics представила портативного гусеничного робота Dogo, вооружённого пистолетом Glock 26 калибра 9 мм, который явился первым в мире компактным аппаратом, имеющим собственное вооружение. Масса Dogo составляет 12 кг, боезапас – 14 патронов (ёмкость стандартного магазина Glock 26 – 10 патронов), его можно будет использовать в ближнем бою, а также в контртеррористических операциях. Основным конкурентным преимуществом Dogo является максимально эффективная нейтрализация террористов без риска для жизни солдат. «Рискуй Dogo, а не людьми», ‒ озвучил слоган General Robotics глава компании Уди Галь, бывший заместитель директора по исследованиям и разработкам Министерства обороны Израиля. Помимо пистолета Dogo может быть оснащён перцовым спреем, светошумовыми зарядами и некоторыми другими средствами нелетального воздействия. Робот оборудован системой передачи видео и аудио информации на пульт оператора и оснащён двусторонней голосовой связью, обеспечивающей возможность ведения переговоров с террористами. Dogo также имеет систему распознавания препятствий. Например, при подъезде к лестнице он автоматически переключится в оптимальный для подъёма по ней режим без дополнительной команды оператора. Встроенные аккумуляторы Dogo позволяют роботу работать на протяжении четырёх часов. Система наблюдения робота состоит из шести камер высокого разрешения, обеспечивающих круговой обзор. Кроме того, в модуле с пистолетом установлены ещё две камеры, при помощи которых оператор может целиться.

Помимо воздушных и сухопутных аппаратов военные специалисты занимаются и морскими вариантами боевых роботов. Одна из концепций их применения, озвученная американским агентством DARPA, предполагает создание роботизированных морских платформ в виде глубоководных узлов, рассеянных по океаническому дну. Будучи дистанционно управляемыми, они могли бы осуществлять пуски торпед или ракет по намеченным целям при необходимости. Так сказать, система базирования военного снаряжения до востребованности получается.

Что касается конкретных проектов морских беспилотников, то в 2016 году DARPA начало тестирование автономного судна, предназначенного для обнаружения подводных лодок и слежения за ними. Наличие у судна возможностей уничтожать вражеские корабли в автоматическом режиме прямо не постулируется, но и не опровергается. Проект назван «Противоподлодочное автономное военное судно постоянного слежения» (Anti-Submarine Warfare Continuous Trail Unmanned Vessel, ACTUV). Старт ему был дан ещё в 2010-м году, а в 2014-м DARPA подписала соглашение с Министерством морских исследований США о совместном финансировании проекта строительства 140-тонного 45-метрового корабля. Согласно директиве Пентагона, полностью автономные устройства не могут быть оснащены системами, применяющими смертоносное оружие, но упоминание о возможность ACTUV нести полезную нагрузку и использовать независимо действующие системы наводит на мысли о боевом использовании этого корабля класса «эсминец» в автономном режиме. Руководитель программы, Скотт Литлфилд, рассказал о возможностях ACTUV. С его слов, автономное судно должно будет самостоятельно работать в море месяцами без участия человека. При этом его передвижения должны учитывать наличие других судов, и подчиняться морским законам и конвенциям, обеспечивая их безопасность. Кроме основной задачи обнаружения и слежения за подлодками, ACTUV планируют использовать в «ряде различных миссий», в том числе, для противодействия морским минам.

Зачем делать все с нуля, когда, начинив электроникой проверенную временем конструкцию, можно получить новое изделие. По этому пути пошла Израильская компания Israel Aerospace Industries, создавая надводный патрульный робот Katana, который может использоваться для охраны добывающих морских платформ, входов в порты и военно-морские базы, патрулирования территориальных вод и радиоэлектронной борьбы. Оборудование Katana может быть установлено на любой из существующих типов малотоннажных кораблей, благодаря чему они получат возможности автономного патрульного робота. Новый робот может функционировать в двух режимах: полностью автономном и дистанционно управляемом. В зависимости от настроек Katana способен обнаруживать, идентифицировать и классифицировать надводные цели, а также обеспечивать их сопровождение и перехват. Система комплектуется электронно-оптическими сенсорами, оборудованием связи, радиолокационной станцией и вооружением. Морской беспилотник создан по модульной схеме, благодаря которой его полезная нагрузка может быть изменена в короткое время.

Ещё Никола Тесла при демонстрации своего радиоуправляемого кораблика в 1899 году указывал на потенциально гораздо более широкое применение дистанционного управления, названного изобретателем «телеавтоматикой», нежели в удовлетворении потребности человеческой особи доминировать над себе подобными, то бишь в военном деле. И прав был великий и таинственный изобретатель прошлого века, что наглядно демонстрируют беспилотники XXI века, в особенности БПЛА цивильного назначения.

Гражданские БПЛА начали лавинообразно набирать популярность в начале 2010-х годов. Своей массовой популярностью дроны обязаны развитию беспроводных сетей. Другими определяющими факторами стали мощные компьютеры, способные контролировать сложные устройства и появление новых, более совершенных языков программирования. Вхождение беспилотников в нашу жизнь было столь стремительным, что эксперты не поспевали за ними со своими прог-нозами. Так, в 2010 году Федеральное управление гражданской авиации США (ФАА) ошибочно предполагало, что к 2020 году в мирных целях будут использоваться порядка 15000 дронов. В аналогичном прогнозе ФАА в 2016 году эта оценка была повышена до 550000. В прогнозе компании «Business Insider», выпущенном в 2014 году, рынок гражданских БПЛА в 2020 году оценивался в 1 миллиард долларов США, но уже два года спустя эта оценка была повышена до 12 миллиардов долларов. По данным NY Times, в 2016 году в США было продано 2,8 миллиона гражданских БПЛА на общую сумму 953 миллиона долларов. Мировой объём продаж составил 9,4 миллиона аппаратов суммарной стоимостью порядка 3 миллиардов долларов. Аудиторская компания PricewaterhouseCoopers (PwC) оценивает рынок БПЛА в 2020 году в 127 миллиардов долларов. По оценке PwC, большая часть (61 %) БПЛА будет использоваться в обслуживании инфраструктурных проектов и в сельском хозяйстве.

Среди примеров использования дронов в мирных целях можно вспомнить, что квадрокоптер помог археологам обнаружить древнее поселение в Мексике после того, как его оборудовали тепловизором, с помощью которого было определено местонахождение холодных участков под песком, где скрывались древние захоронения. Вообще, дрон с тепловизором – идеальное средство для выявления процессов сопровождающихся возникновением градиента температур, к примеру прорыв теплотрасс, нарушение теплоизоляции зданий, возникновение очагов лесных пожаров.

Стартап Flytrex, базирующийся в Израиле, решил открыть сервис доставки дронами в столице Исландии Рейкьявике. Услугу может заказать любой магазин, благодаря чему его товары будут развозить самые настоящие дроны-курьеры. В городе имеется довольно большая бухта, объезжать которую на грузовых автомобилях долго и накладно, зато дроны смогут довольно быстро перелететь её, а затем оставить груз на специальной площадке, откуда его заберут курьеры на автомобиле. Интернет-магазин Аhа уже пользуется услугами израильской компании и к концу года надеется наладить доставку товаров прямо к порогу заказчиков, ведь использование дронов-курьеров позволит существенно сэкономить на доставке. Выгода может составить до 60 процентов. Сейчас беспилотные летательные аппараты совершают до десяти рейсов каждый день, но со временем планируется удвоить количество полётов, ведь район, обслуживаемый дронами, насчитывает более восьми тысяч клиентов магазина. В общем, использование дронов для доставки грузов – перспективное направление, которое осваивают и крупные торговые онлайн-площадки. Тестировать доставку с помощью квадрокоптеров начал Amazon, активно изучающий возможности модернизации своей курьерской службы.

В Китае компанией PowerVision создан подводный дрон «PowerRay» в помощь рыбакам при поиске рыбных мест. Беспилотник способен погружаться на глубину до 30 м, он оснащён сонаром и камерой, которая может делать фотографии и снимать видео. Благодаря ей, а также встроенному модулю Wi-Fi, владелец сможет не только обнаружить удачное для рыбалки место, но и узнать об особенностях подводного ландшафта. Автономный модуль измерит температуру воды, всё отснимет, а затем просто передаст полученную информацию на смартфон владельца – приложение разработано для iOS и Android. Помимо всего прочего подводный дрон оснащён световой приманкой, которая приятным и мягким светом привлекает к себе рыб. Ещё одна полезная функция – отсек с приманкой. Оператор может дистанционно раскладывать прикормку в нужных местах. А ещё к PowerRay можно будет купить специальную гарнитуру виртуальной реальности. Она пригодится для того, чтобы пользователь мог оценить обстановку под водой своими глазами. Дополнительный бонус владельцу таких очков — управление дроном с помощью поворотов головы.

В США группа инженеров из Радгерского университета предложила конструкцию дрона, названного Naviator, который не только парит в воздухе, но и плавает под водой. С его помощью можно вести подводную съёмку при передаче оперативной видеосводки при инспектировании подводной основы моста, при исследовании подводных загрязнений, выполнении поисково-спасательных работ, в подводной разведке и во многих других случаях. Возможность погружения под воду заложена в конструкции изначально, но ряд проблем при подводной миссии инженерам ещё предстоит решить. В частности, под водой Naviator пока не может обходиться без проводов, поскольку технически не доработан до конца обмен радиосигналами между дроном и оператором. К тому же необходимо решить вопросы улучшения манёвренности под водой, увеличения полезной нагрузки и глубины погружения.

А вот инженеры из Университета Северной Каролины при разработке дрона-амфибии под названием EagleRay взяли за основу самолётную схему. EagleRay представляет собой дрон с жёстким крылом. Благодаря особой конструкции, он способен летать, нырять в воду, плавать по поверхности воды и проводить подводную разведку. EagleRay, помимо всего прочего, имеет на крыльях солнечные панели, которые позволяют ему подзаряжаться, пока он плавает по поверхности воды или летает в воздухе. Размах крыльев беспилотника составляет 150 сантиметров, его длина равняется 140 сантиметрам. Пропеллер в носовой части летательного аппарата позволяет дрону без проблем перемещаться как в воде, так и в воздухе. «EagleRay способен увеличить срок жизни батареи, используя солнечную энергию. Он может изучать подводную фауну как с воздуха, так и в естественной среде обитания. Во время полета EagleRay может свободно передвигаться, как и любые другие подобные аппараты. В воде же дрон использует сенсоры и сонары для ориентации при перемещении. Если вы ищете что-то с помощью сонара, EagleRay может прилететь на место, опуститься под воду, получить данные и улететь на новую миссию», – рассказал о возможностях беспилотника один из разработчиков Уильям Стюарт.

Прямо в противоположном направлении пошла инженерная мысль исследователей из Нью-Йоркского университета – они перенесли механизм перемещения в подводном мире в воздушную среду: создали летающего робота, движения которого отчасти копируют движения медузы под водой. Созданный американскими инженерами прототип выполнен в виде пластиковой сферы, по краям которой установлены овальные гибкие «крылья», подвижные с нижней стороны. Аппарат способен зависать над определённой точкой, снижаться или набирать высоту, а также лететь в заранее заданном направлении. Масса робота составляет всего два грамма. Строго говоря, аппарат сложно назвать роботом, поскольку какой-либо сложной электронной начинкой он не обладает: в корпусе установлен электромотор, получающий энергию по проводу. Из-за отсутствия какой-либо внутренней электронной начинки устройство не способно менять направление полёта. «Крылья» аппарата выполняют до 20 движений в секунду. Особенностью конструкции аппарата является то, что она не требует установки дополнительных стабилизирующих приспособлений или микросхем, отвечающих за стабилизацию дрона в воздухе.

Большие надежды инженеры возлагают на БПЛА в качестве носителя средств коммуникации. Так в рамках проекта Internet.org лаборатория Connectivity Lab компании Facebook занимается разработкой технологий, позволяющих обеспечить доступ к интернету там, куда невозможно проложить коммуникационный канал.

Результатом трудов инженеров лаборатория Connectivity Lab стал беспилотник «Aquila». Дрон от Facebook коренным образом отличается от традиционных беспилотников. Один размах этого огромного летающего крыла немного недотягивает до размаха крыльев авиалайнера Boeing 737, в то время как весь летательный аппарат весит меньше среднего легкового автомобиля. Беспилотник «Aquila» разработан для условий полностью автономного полёта на протяжении минимум трёх месяцев, в течение которых он будет кружить над областью покрытия на высоте от 20 до 30 километров, выше всех авиатрасс, питаясь исключительно солнечной энергией. Для создания сети интернет-покрытия нужна целая группа идентичных летательных аппаратов. Один из аппаратов группы держит связь с землёй при помощи высокоскоростного радиоканала, а связь с другими аппаратами поддерживается при помощи лазерной коммуникационной системы. Такая же лазерная система связывает каждый беспилотник с одной или несколькими наземными станциями, которые установлены в труднодоступных местах и которые обеспечивают широкополосный доступ в Интернет при помощи нескольких технологий, в частности, через Wi-Fi.

Лазерная коммуникационная технология является второй важной частью будущей системы Internet.org. Эта технология также разрабатывается специалистами лаборатории Connectivity Lab, которые сотрудничают с множеством других организаций, работающих в направлении лазерной передачи данных на высоких скоростях и с высоким уровнем надёжности. В настоящее время лазерные технологии компании Facebook способны обеспечивать скорость передачи информации на уровне десятков гигабайт в секунду. И с учётом того, что для реализации этого требуется держать в прицеле лазера беспилотника цель, размером с монету, с расстояния в десятки километров, это является крайне сложной задачей.

Что касается наземных беспилотников гражданского назначения, то среди них пока не наблюдается такого функционального разнообразия, как среди БПЛА. Их основное применение – перевозка пассажиров и доставка грузов. Но им и этого хватает, чтобы эксперты прогнозировали объем рынка беспилотного автомобильного транспорта во всем мире в ближайшие 20 лет в 560 млрд. долларов. При этом автомобили-беспилотники не только сэкономят потребителям миллиарды долларов на страховых и топливных издержках, но и стимулируют развитие других отраслей — программного обеспечения, телекоммуникаций, инфраструктурных проектов. Кроме того, беспилотный транспорт позволит потребителям тратить меньше и на техническое обслуживание беспилотных машин. Специалисты консалтинговой компания AT Kearney считают, что при массовом развитии беспилотных автомобилей только в США потребители смогут сэкономить по всем этим статьям до 1,3 трлн. долларов, из них сокращение числа ДТП приведёт к экономии 488 млрд. долларов, а экономия на топливе составит почти 170 млрд. долларов. Беспилотники будут тратить меньше топлива в том числе и потому, что такие автомобили смогут связываться друг с другом и выбирать наиболее оптимальную и безопасную скорость для движения по трассе. Также прогнозируется, что на техобслуживании беспилотников, в которых будет меньше изнашиваемых механических частей, а также за счёт более высокой производительности «умных» машин, потребители смогут сэкономить до 500 млрд. долларов. Оптимальный скоростной режим, выбираемый беспилотником, позволит существенно сократить дорожные заторы, что также позволит сократить расходы на топливо и износ в объёме 140 млрд. долларов.

Основные тенденции на рынке беспилотных автомобильных технологий по мнению главного аналитика компании «Altimeter Брайана Солиса следующие:

— Полуавтономные транспортные средства становятся последним шагом на пути к полной автономности.

— Автомобиль становится местом для отдыха, а обустройство салона – отдельным направлением для вложения средств.

— «Очеловечивание» поведения беспилотных автомобилей для удобства остальных участников движения.

— Высокая конкуренция в использовании технологических новинок и стартапов. Предпочтение отдаётся инновациям в программной и аппаратной сферах, обеспечивающим основную долю монетизации проекта.

— Крупные производители скупают стартапы, чтобы владеть не только новыми идеями, но и талантами, порождающими их, поэтому в автомобильном бизнесе ожидается рост IT-вакансий. Все это позволяет выходить на передний план принципу «подключи и работай», когда новые технологии могут быть легко модифицированы в реальные модели автомобилей.

По прогнозу американского аналитического центра RethinkX к 2030 году 95 % маршрутов будет обслуживаться автономными автомобилями, принадлежащими корпорациям. Это можно считать одной из крупнейших технологических революций транспорта в истории. При этом стоимость поездки для конечного потребителя сократится в десять раз, что вынудит владельцев личных автомобилей отказаться от единоличного владения. Вместо этого они будут иметь к ним доступ по мере необходимости. В целях экономии двигатели внутреннего сгорания постепенно заменятся электрическими. Затраты на техническое обслуживание, энергетику, финансирование и страхование уменьшатся, и в результате компании предложат варианты, которые будут до десяти раз дешевле в эксплуатации, чем существующие автомобили. При этом эффективная эксплуатация транспортных средств (каждый автомобиль будет использоваться по меньшей мере в десять раз больше, чем автомобили, принадлежащие индивидуальным владельцам) приведёт к тому, что их число сократится.

Аналитики сходятся во мнении, что к 2030 году 40% всех транспортных средств будет по-прежнему иметь индивидуальных владельцев, но доля их использования сократится до 5%. Поведенческие проблемы, такие как любовь к вождению, страх перед новыми технологиями или привычка, создадут первоначальные барьеры для перехода на автомобили без водителя, однако компании уже готовы инвестировать миллиарды долларов в развитие технологий и услуг для решения этих проблем. Беспилотные автомобили ждёт большое будущее, только для того, чтобы беспилотные автомобили массово вошли в жизнь рядового обывателя, кроме чисто психологических проблем, необходимо решить и технические вопросы:

— создание дорожно-транспортной инфраструктуры под беспилотные автомобили;

— обеспечение безопасности движения дорожных дронов;

— снижение цены автомобилей-беспилотников.

Пока что большинство моделей беспилотных автомобилей (а над ними работают почти все мировые производители) мало чем отличается по внешнему виду от обычных машин. Характерный пример – беспилотник на электрической тяге от Илона Маска на базе электромобиля Tesla Model S.

Облик классического легкового транспортного средства скорее дань стереотипам, нежели актуальная конфигурация кузова, поскольку создание автомобиля с полностью автономной системой вождения сейчас сопряжено не с технологическими трудностями, а с казуистическими. В настоящее время ни в одной стране мира не существуют законодательной базы, позволяющей беспилотным транспортным средствам передвигаться по дорогам общего пользования.

В соответствии с первоначальной идеей Маска внешне беспилотник должен был представлять собой футуристического дизайна капсулу с оригинальной компоновкой внутреннего пространства. Однако пока что беспилотник Tesla выглядит как обычный легковой автомобиль.

Беспилотный автомобиль на базе Tesla Model S

Оснащение салона беспилотника Tesla мало отличается от донорской модели, так как законодатели пока запрещают эксплуатацию электромобиля без традиционных органов управления. Поэтому у беспилотного автомобиля осталось и мультифункциональное рулевое колесо, и цифровая приборная панель диагональю 10 дюймов. Сохранен и педальный узел. Все пространство центральной консоли занимает 17-ти дюймовый монитор – фактически планшет с операционной системой Ubuntu. Программное обеспечение можно обновлять через wi-fi. Для водителя поездка на беспилотнике Тесла будет выглядеть как и на обычном автомобиле, вот только к рулю и педалям притрагиваться не понадобиться. На центральном мониторе надо будет лишь указать пункт назначения.

Беспилотник Tesla оснащён асинхронным трёхфазным электромотором собственной разработки компании Илона Маска. Мощность мотора 415 л. с., максимальная скорость электромобиля 210 км/ч, разгон до ста километров за 4,5 с. Двигатель запитывается от литий-ионной батареи ёмкостью 85 кВт/ч. Этого достаточно для преодоления 425 километров пути со скоростью 120 км/ч. Ресурс батареи 7 лет или 160 тысяч километров. Одного часа зарядки от бытовой электросети достаточно для преодоления 30 км пути. На полный цикл требуется около 15 часов. На специализированных станциях Tesla Supercharger время зарядки занимает всего 30 мин. Альтернативный способ пополнения энергии – замена батареи. Манипуляция продолжается всего полторы минуты. Стоимость процедуры приравнивается к заправке полного бака бензином.

Беспилотные электромобили Илона Маска (а его компания создаёт и грузовые электрические беспилотники) – это дерзкий вызов империи традиционных транспортных средств с двигателями внутреннего сгорания. Но тут предприимчивый инженер-изобретатель не одинок. Интересную модель с заделом на беспилотный вариант представили немецкие инженеры из Центра робототехники DFKI (Бремен). Они придумали элегантное инновационное решение – маленький электрический автомобиль, способный разворачиваться на месте, ужиматься в размерах и перемещаться боком, словно краб, втискиваясь в такие места, куда не сможет вписаться ни один традиционный автомобиль.

В основу конструкции электромобиля EOssc2 легли элементы строения тела краба, который может расставлять свои конечности в стороны или подбирать их ближе к себе, существенно уменьшая занимаемую площадь. Подвеска EOssc2 также обладает несколькими степенями свободы – автомобиль может расширить свою базу при движении по дороге и сузить её перед парковкой, а независимый поворотный привод каждого колеса придаёт машине необычайную манёвренность. Кузов EOssc2 имеет размеры 1,5 на 2,5 метра, пассажирский салон, в котором есть два сиденья, может наклоняться вперёд для уменьшения габаритных размеров автомобиля перед парковкой. Двери открываются, смещаясь вверх, что позволяет водителю и пассажиру беспрепятственно садиться и покидать салон. Большая часть из 750 килограмм веса автомобиля приходится на его 54-вольтовую литий-полимерную аккумуляторную батарею. В движение электромобиль EOssc2 приводится четырьмя, по одному на каждое колесо, 4-киловаттными электродвигателями, мощности которых достаточно для того, чтобы разогнать автомобиль до скорости в 65 километров в час.

Электромобиль EOssc2

В настоящее время электромобиль EOssc2 управляется как любое другое транспортное средство, но в его конструкцию уже заложены все элементы, благодаря которым он сможет в будущем обрести полную автономию и перемещаться самостоятельно без любого участия человека в этом процессе, объединяясь с другими такими автомобилями в целые автопоезда по мере необходимости. А пока автоматических способностей автомобиля хватает лишь на выполнение функции автоматической парковки, для чего используются данные, собираемые со скоростью 10 раз в секунду лазерным сканером LIDAR, камерами и датчиками других типов.

В заключение нашего небольшого обзора беспилотников немного про не совсем стандартную стезю их гражданского применения: в комплексе под названием «умный магазин» в формате дистанционно управляемых покупательских тележек с видеокамерой и манипулятором на борту.

Сейчас под «умным магазином» подразумевают торговые площади, оборудованные системой идентификации товаров, позволяющие при выходе из магазина автоматически списывать со счета покупателя стоимость приобретённого им товара. То есть, магазин не только без продавцов, но и без кассиров, благодаря системе электронной идентификации товара.

Но такой магазин, пожалуй, нельзя назвать совсем «умным». Это, скорее, «полу-умный магазин». В том плане, что идее не хватает логического завершения – полностью роботизированных процессов выбора покупателем товара, упаковки индивидуального заказа, расчётов с владельцем товара и передачи товара покупателю. Благо, что современный уровень развития техники и обмена информацией уже сейчас позволяет открывать полностью автоматизированные магазины.

Полностью автоматизированный магазин – это торговля без прямого использования самой ненадежной функциональной единицы – человека. Зал с витринами для товаров, по которому перемещаются автоматические тележки, управляемые удалёнными покупателями. Тележки с памятью, в которой заложено, где на какой витрине какой товар находится. Кроме того, тележки снабжены видеокамерами для обзора товара и манипуляторами для захвата товара, его перемещения перед видеокамерой, чтобы лучше рассмотреть и, если товар понравится, перенести в тележку для дальнейшего перемещения по залу. После завершения автоматизированного шопинга, происходит оплата товара, упаковка товара и передача в зал получения товара. Все в автоматическом режиме.

Полностью автоматизированный магазин – это автоматическое решение проблемы воровства товаров. Не нужна многочисленная охрана и прочий оперативный персонал, включая кассиров и уборщиц. Если через те же тележки автоматизировать и выкладку товаров на витрины, то и персонал лишится возможности воровать. Все будут операторами, которым доступ в зал ни к чему.

Ну, и по мелочам кое-какая экономия набегает при полной автоматизации:

— торговые площади в разы сокращаются, если автоматические тележки подвесными сделать и пустить по верхнему ярусу над сплошным витринным полем;

— тотальное электроосвещение ни к чему становится, достаточно хорошо поставленного локального света с тележек;

— температуру в торговом зале можно будет держать не комфортную для покупателей, а необходимую и достаточную для сохранности товаров.

Вот про такие магазины можно уже без всяких оговорок заявлять, как об «умных магазинах», где рабочим персоналом станет «магазинный беспилотник».

Беспилотники, особенно беспилотные летательные аппараты – пожалуй, самое яркое и впечатляющее техническое достижение современных инновационных систем, без развития которых не состоялся бы бурный рост самодвижущихся автоматов. В беспилотниках воплощены многие передовые идеи и инженерные находки и из электроники, и из авиа-, корабле- и автомобилестроения, и из материаловедения, и из прочих направлений науки, разделов техники, отраслей промышленности. Есть, конечно, и другие достижения инновационных систем, которые вошли и на наших глазах входят в повседневную жизнь цивилизованного человека, но они не столь заметны, хотя и значимы. А тут продуктами инновационных систем, каковыми являются беспилотники, и ребёнок позабавиться может, и взрослые по взрослому к вопросу подойти – применение самое разнообразное: от развлечений до войны.

Дальнейшее расширение функционала беспилотников лежит в направлении повышения их автономности – необходимы полностью автономные устройства, передвигающиеся в соответствии с заданной программой и обладающие большим вариативом действий при контакте с человеком, который выступает потребителем услуг, предоставляемых беспилотниками. А это уже площадка разработчиков искусственного интеллекта. Помимо работ в области искусственного интеллекта, беспилотные аппараты стимулируют появление новых достижений на рынке специального оборудования, активируют развитие мобильного интернет-рынка и других видов беспроводной передачи данных, способствуют созданию инфраструктурных проектов.

В общем, подытоживая все сказанное, можно сказать, что наступает эра беспилотных аппаратов, и мы присутствуем при её прогрессирующем становлении на волне достижений инновационных систем цивилизованных стран.

Иллюстрация: YouTube
Чудо техники — 3D-принтеры