Künstlerische Konzeption eines Bio-Nanoroboters. Bildnachweis: NASA. klicken um zu vergrößern
Wenn es darum geht, den nächsten „großen Sprung“ in der Weltraumforschung zu machen, denkt die NASA klein - wirklich klein.
In Labors im ganzen Land unterstützt die NASA die aufkeimende Wissenschaft der Nanotechnologie. Die Grundidee besteht darin, den Umgang mit Materie auf atomarer Ebene zu lernen - um einzelne Atome und Moleküle gut genug steuern zu können, um Maschinen in Molekülgröße, fortschrittliche Elektronik und „intelligente“ Materialien zu entwerfen.
Wenn Visionäre Recht haben, kann Nanotechnologie zu Robotern führen, die Sie an der Fingerspitze halten können, zu selbstheilenden Raumanzügen, Weltraumaufzügen und anderen fantastischen Geräten. Es kann mehr als 20 Jahre dauern, bis sich einige dieser Dinge vollständig entwickelt haben. andere nehmen heute im Labor Gestalt an.
Einfach Dinge kleiner zu machen hat seine Vorteile. Stellen Sie sich zum Beispiel vor, die Marsrover hätten Spirit and Opportunity so klein wie ein Käfer gemacht und könnten wie ein Käfer über Felsen und Kies huschen, Mineralien sammeln und nach Hinweisen auf die Geschichte des Wassers auf dem Mars suchen. Hunderte oder Tausende dieser winzigen Roboter könnten in denselben Kapseln verschickt worden sein, in denen sich die beiden Rover in Schreibtischgröße befanden. So konnten Wissenschaftler viel mehr von der Oberfläche des Planeten erforschen - und die Wahrscheinlichkeit erhöhen, über ein versteinertes Marsbakterium zu stolpern!
Bei Nanotechnologie geht es jedoch um mehr als nur um das Schrumpfen von Dingen. Wenn Wissenschaftler Materie gezielt auf molekularer Ebene ordnen und strukturieren können, entstehen manchmal erstaunliche neue Eigenschaften.
Ein hervorragendes Beispiel ist der Liebling der Nanotech-Welt, die Carbon Nanotube. Kohlenstoff kommt auf natürliche Weise als Graphit - das weiche, schwarze Material, das häufig in Bleistiftminen verwendet wird - und als Diamant vor. Der einzige Unterschied zwischen den beiden ist die Anordnung der Kohlenstoffatome. Wenn Wissenschaftler dieselben Kohlenstoffatome zu einem „Hühnerdraht“ -Muster anordnen und sie zu winzigen Röhrchen mit einem Durchmesser von nur 10 Atomen zusammenrollen, erhalten die resultierenden „Nanoröhren“ einige außergewöhnliche Eigenschaften. Nanoröhren:
- 100-mal die Zugfestigkeit von Stahl haben, aber nur 1/6 des Gewichts;
- sind 40-mal stärker als Graphitfasern;
- Strom besser leiten als Kupfer;
- können je nach Anordnung der Atome entweder Leiter oder Halbleiter (wie Computerchips) sein;
- und sind ausgezeichnete Wärmeleiter.
Ein Großteil der aktuellen weltweiten Nanotechnologieforschung konzentriert sich auf diese Nanoröhren. Wissenschaftler haben vorgeschlagen, sie für eine Vielzahl von Anwendungen zu verwenden: für das hochfeste Kabel mit geringem Gewicht, das für einen Weltraumaufzug benötigt wird; als molekulare Drähte für die Elektronik im Nanomaßstab; eingebettet in Mikroprozessoren, um die Wärme abzuleiten; und als winzige Stangen und Zahnräder in Maschinen im Nanomaßstab, um nur einige zu nennen.
Nanoröhren spielen eine wichtige Rolle in der Forschung am NASA Ames Center for Nanotechnology (CNT). Das Zentrum wurde 1997 gegründet und beschäftigt derzeit rund 50 Vollzeitforscher.
„[Wir] versuchen, uns auf Technologien zu konzentrieren, die innerhalb weniger Jahre bis zu einem Jahrzehnt brauchbare Produkte hervorbringen können“, sagt CNT-Direktor Meyya Meyyappan. "Zum Beispiel untersuchen wir, wie Nanomaterialien für fortgeschrittene Lebenserhaltung, DNA-Sequenzierer, leistungsstarke Computer und winzige Sensoren für Chemikalien oder sogar Sensoren für Krebs verwendet werden können."
Ein chemischer Sensor, den sie mithilfe von Nanoröhren entwickelt haben, soll nächstes Jahr eine Demonstrationsmission an Bord einer Navy-Rakete ins All fliegen. Dieser winzige Sensor kann nur wenige Teile pro Milliarde spezifischer Chemikalien - wie giftige Gase - erfassen und ist daher sowohl für die Erforschung des Weltraums als auch für die Verteidigung des Heimatlandes nützlich. CNT hat auch eine Möglichkeit entwickelt, Nanoröhren zur Kühlung der Mikroprozessoren in PCs zu verwenden. Dies ist eine große Herausforderung, da CPUs immer leistungsfähiger werden. Diese Kühltechnologie wurde an ein Start-up namens Nanoconduction in Santa Clara, Kalifornien, lizenziert, und Intel hat sogar Interesse bekundet, sagt Meyyappan.
Wenn diese kurzfristigen Anwendungen der Nanotechnologie beeindruckend erscheinen, sind die langfristigen Möglichkeiten wirklich umwerfend.
Das NASA Institute for Advanced Concepts (NIAC), eine unabhängige, von der NASA finanzierte Organisation mit Sitz in Atlanta, Georgia, wurde gegründet, um die zukunftsweisende Forschung zu radikalen Weltraumtechnologien voranzutreiben, deren Verwirklichung 10 bis 40 Jahre dauern wird.
Zum Beispiel finanzierte ein kürzlich abgeschlossenes NIAC-Stipendium eine Machbarkeitsstudie zur Herstellung im Nanomaßstab - mit anderen Worten, unter Verwendung einer großen Anzahl mikroskopisch kleiner molekularer Maschinen, um jedes gewünschte Objekt durch Zusammenbau Atom für Atom herzustellen!
Dieses NIAC-Stipendium wurde an Chris Phoenix vom Center for Responsible Nanotechnology vergeben.
In seinem 112-seitigen Bericht erklärt Phoenix, dass eine solche „Nanofabrik“ beispielsweise Teile von Raumfahrzeugen mit atomarer Präzision produzieren könnte, was bedeutet, dass jedes Atom innerhalb des Objekts genau dort platziert wird, wo es hingehört. Das resultierende Teil wäre extrem stark und seine Form könnte innerhalb der Breite eines einzelnen Atoms des idealen Designs liegen. Ultraglatte Oberflächen müssten nicht poliert oder geschmiert werden und würden im Laufe der Zeit praktisch keinen „Verschleiß“ erleiden. Diese hohe Präzision und Zuverlässigkeit von Raumfahrzeugteilen ist von größter Bedeutung, wenn das Leben von Astronauten auf dem Spiel steht.
Obwohl Phoenix in seinem Bericht einige Designideen für eine Desktop-Nanofabrik skizziert hat, räumt er ein, dass - abgesehen von einem „Nanhatten-Projekt“ mit großem Budget, wie er es nennt - eine funktionierende Nanofabrik mindestens ein Jahrzehnt entfernt ist und möglicherweise viel länger.
Constantinos Mavroidis, Direktor des Computational Bionanorobotics Laboratory an der Northeastern University in Boston, untersucht einen alternativen Ansatz zur Nanotechnologie:
Anstatt von vorne zu beginnen, verwenden die Konzepte in Mavroidis 'NIAC-finanzierter Studie bereits vorhandene funktionelle molekulare „Maschinen“, die in allen lebenden Zellen zu finden sind: DNA-Moleküle, Proteine, Enzyme usw.
Diese biologischen Moleküle, die über Millionen von Jahren von der Evolution geprägt wurden, sind bereits sehr geschickt darin, Materie auf molekularer Ebene zu manipulieren. Deshalb kann eine Pflanze Luft, Wasser und Schmutz kombinieren und eine saftige rote Erdbeere produzieren, und der Körper eines Menschen kann sich zuletzt umwandeln Kartoffelabendessen in die neuen roten Blutkörperchen von heute. Die Umlagerung von Atomen, die diese Leistungen ermöglicht, wird von Hunderten spezialisierter Enzyme und Proteine durchgeführt, und die DNA speichert den Code für ihre Herstellung.
Die Verwendung dieser „vorgefertigten“ molekularen Maschinen - oder ihre Verwendung als Ausgangspunkt für neue Designs - ist ein beliebter Ansatz für die Nanotechnologie, der als „Bio-Nanotechnologie“ bezeichnet wird.
"Warum das Rad neu erfinden?" Mavroidis sagt. "Die Natur hat uns all diese großartige, hochentwickelte Nanotechnologie in Lebewesen gegeben. Warum also nicht nutzen - und versuchen, etwas daraus zu lernen?"
Die spezifischen Anwendungen von Bio-Nanotechnologie, die Mavroidis in seiner Studie vorschlägt, sind sehr futuristisch. Eine Idee besteht darin, eine Art „Spinnennetz“ aus haardünnen Röhren mit Bio-Nanotech-Sensoren über Dutzende von Kilometern Gelände zu drapieren, um die Umgebung eines fremden Planeten detailliert abzubilden. Ein weiteres Konzept, das er vorschlägt, ist eine „zweite Haut“, die Astronauten unter ihren Raumanzügen tragen können, um mithilfe von Bio-Nanotechnologie die in den Anzug eindringende Strahlung zu erfassen und darauf zu reagieren und Schnitte oder Einstiche schnell abzudichten.
Futuristisch? Bestimmt. Möglich? Könnte sein. Mavroidis gibt zu, dass solche Technologien wahrscheinlich Jahrzehnte entfernt sind und dass sich die bisherige Technologie in Zukunft wahrscheinlich stark von dem unterscheiden wird, was wir uns jetzt vorstellen. Dennoch hält er es für wichtig, jetzt darüber nachzudenken, was die Nanotechnologie noch viele Jahre später ermöglichen könnte.
Angesichts der Tatsache, dass das Leben selbst in gewisser Weise das ultimative Beispiel für Nanotechnologie ist, sind die Möglichkeiten in der Tat aufregend.
Originalquelle: NASA-Pressemitteilung
