Технологии Четвертой промышленной революции

Для открытия, разработки и внедрения новых материалов всегда требовались большие капиталовложения. Кроме того, эти процессы занимают много времени: обычно новые технологии материалов выходят на рынок после 10 или 20 лет фундаментальных и прикладных исследований. Здесь тоже могут помочь другие технологии Четвертой промышленной революции. Роботизированные платформы, использующие искусственный интеллект и крупные базы данных о материалах, способны значительно ускорить разработку передовых материалов. Еще одну проблему, но в то же время и возможность ускорить открытие новых материалов представляет передача знаний между вертикалями индустрий. Для преобразования существующих механизмов открытия новых материалов и перехода на интегрированные платформы необходима поддержка правительства, бизнеса и стартапов. Прогресс в этой области требует непрерывных исследований, долгосрочных инвестиций и многостороннего диалога между участниками.

Расширение сферы применения передовых материалов

Бернард Мейерсон (BernardMeyerson), директор по инновациям корпорации IBM, США

Сказать, что передовые материалы прочно входят в нашу жизнь – все равно что ничего не сказать. В исторической перспективе видно, что новые материалы позволяли преобразовать жизнь человека, о чем свидетельствуют названия эпох: каменный век, бронзовый век, железный век. Одна только эволюция орудий труда приводила к революционным изменениям в жизни на планете в каждую из этих эпох, и в последнее время темп этой эволюции значительно ускорился.

Так, усовершенствования всего в одной области – полупроводниковых материалах – произвели революцию в современном обществе. Повсеместное распространение вычислительных и коммуникационных технологий стало возможным благодаря улучшению технологии производства полупроводников более чем в миллион раз за прошедшие четыре десятилетия. В результате огромных продвижений в материаловедении примерно за 40 лет мы прошли путь от отправки человека на Луну с помощью компьютеров, обладающих памятью около 4 Кбайт, до повседневного использования смартфонов, способных без проблем обращаться к 64 Гбайт данных. Проблема в том, что такие темпы нельзя сохранять вечно, а изменение давно сложившихся тенденций может вызывать большие сложности.

Стабильный прогресс привел к уменьшению толщины слоя полупроводниковых материалов в транзисторах до нескольких атомов. При таких размерах начинает проявляться действие законов квантовой механики, что делает следующее поколение материалов бесполезным для практического применения. Поэтому исследования в области передовых материалов направлены на поиск альтернативных путей. Понимая всю серьезность этой проблемы, мы уже можем утверждать, что нас ждут значительные сдвиги, связанные с потенциальными источниками дальнейшего прогресса в информационных технологиях и необходимыми для продвижений в этой сфере знаниями и навыками.

Практически все разработки в области передовых материалов имеют свои последствия для общества. Более того, взаимозависимости этих разработок и социальные последствия весьма значительны. Рассмотрим для примера задачу обеспечения питьевой водой мирового населения, которое в ближайшие двадцать лет вырастет на несколько миллиардов человек. По мере истощения существующих резервуаров и водоносных горизонтов жизненно важную необходимость приобретут энергоемкие методы получения воды, такие как обессоливание. Для широкомасштабного применения этого метода, основанного на очистке обратным осмосом, потребуются более эффективные мембранные материалы.

Однако даже при существенном улучшении мембран потребуются огромные объемы новых энергоресурсов. Передовые материалы помогут решить и эту проблему.

Чтобы получить возможность генерировать энергию, не усугубляя глобальное потепление, необходимы значительные продвижения в разработке материалов, применяемых в энергетических технологиях. Для более эффективного получения возобновляемой энергии с помощью ветрогенераторов, фотоэлектрических и гелиотермических установок требуются улучшенные материалы. Возможно, еще большее значение имеет способность эффективного хранения и извлечения такой энергии, а для этого необходимы материалы, позволяющие усовершенствовать аккумуляторы и повысить шансы на то, что возобновляемые источники заменят традиционные. Есть и другой вариант – инкапсуляция ядерного топлива для создания экономичных ядерных реакторов, использующих газовое охлаждение. При надежной системе удержания топлива и возможности использовать в случае аварии пассивное воздушное охлаждение такие реакторы будут достаточно безопасными.

Глобальные проблемы, с которыми общество сталкивается в условиях постоянно растущего спроса на истощающиеся природные ресурсы, требуют технических и социальных инноваций, позволяющих решать насущные вопросы. Большую помощь в поиске таких решений нам могут оказать достижения в области разработки новых материалов.