Технические задания. 21-й век

В 2006 году Национальная инженерная академия США при поддержке Национального научного фонда учредила комиссию экспертов, которой было поручено назвать и ранжировать главные прикладные (практические, технические, инженерные) задачи, которые стоят перед человечеством. Комиссия выделила 14 основных задач, а вот ранжировать их по степени значимости не смогла.

18 экспертов, среди которых знаменитый генетик Крейг Вентер, один из основателей компании Google Ларри Пейдж, известный изобретатель Рэймонд Курцвэйл и бывший министр обороны США Уильям Перри (председатель комиссии) выделили четыре области, в которых лежат главные прикладные задачи. Этими областями стали забота об окружающей среде, жизнеобеспечение, защита от угроз всех видов, повышения уровня жизни (радости жизни, по словам климатолога Роберта Соколоу).

Далее эксперты назвали 14 более конкретных задач, обосновав важность каждой из них и предоставив доказательства возможности ее решения (то есть подтвердив, что задача является истинно прикладной). Комиссия также постаралась указать пути, которыми, возможно, стоит двигаться к решению задач.

Сделать использование солнечной энергии экономически оправданным

На Землю попадает лишь малая часть вырабатываемой Солнцем энергии, но даже это примерно в десять тысяч раз больше всей энергии, производимой человечеством. Этот источник энергии не исчерпается, пока в ядре Солнца не кончится водород, а это произойдет не раньше, чем через семь миллиардов лет. Это экологически чистая энергия.

Тем не менее, доля солнечной энергии на энергетическом рынке сейчас составляет менее одного процента. Несмотря на то, что на Землю энергия доставляется бесплатно, ее преобразование пока стоит слишком много. КПД современных коммерческих солнечных батарей обычно составляет 10-20 процентов (у экспериментальных моделей - больше). Активное их использование в электросетях привело бы к тому, что стоимость электричества возросла бы в 3-6 раз. К этому мировая экономика не готова.

Эксперты считают, что проблему можно решить, разработав более эффективные способы приема, переработки и хранения солнечной энергии.

Научиться использовать энергию термоядерного синтеза

Не стоит полагаться только на далекую термоядерную станцию - Солнце - стоит самим овладеть одним из самых эффективных способов производства энергии.

Если столкнуть ядра дейтерия (водорода-2) и трития (водорода-3) с очень большой силой, то получится ядро гелия и свободный нейтрон, причем масса продуктов реакции будет чуть-чуть меньше массы исходных реагентов. Куда же денется часть массы? Она перейдет в энергию по знаменитой формуле E=mc².

Человечество уже умеет запускать эту реакцию (например, взрывая водородные бомбы). Теперь нужно добиться того, чтобы ходом реакции можно было управлять, а получаемую энергию безопасно использовать в промышленных целях. Для этого придется создать на Земле температуру более 100 миллионов градусов (больше, в ядре Солнца - правда, там гораздо выше давление), решить массу технических вопросов, убедить мир в безопасности нового метода, научиться удерживать сталкивающиеся ядра магнитным полем и еще много чего сделать. Для этого во Франции строится экспериментальный международный термоядерный реактор ITER.

Научиться связывать углекислый газ и не выпускать его в атмосферу

Альтернативные источники энергии пока в будущем, а сейчас на 85 процентов мы зависим от углеводородов - нефти, природного газа и угля. При их сжигании выделяется, в частности, углекислый газ. Его концентрация в атмосфере неуклонно растет и вызывает (хотя на этот счет есть разные мнения) глобальное потепление климата. Не сжигать углеводороды нельзя. Значит, надо что-то делать с углекислым газом.

Например, тут же пускать его в производство - газировать напитки и изготавливать сухой лед. Или хранить в истощенных нефтяных месторождениях (и справедливо, и полезно - оставшуюся нефть впоследствии легче будет извлечь). Правда, ни производственных потребностей, ни нефтяных месторождений не хватит на весь CO₂. Возможно, стоит хранить диоксид углерода в осадочных пористых горных породах на глубине около 800 метров ниже уровня моря. А может быть, еще глубже: просто загонять его под океанское дно. А может быть, заставлять реагировать с содержащимися в морской воде ионами кальция, чтобы образовывался нерастворимый известняк CaCO₃.

Уменьшить выбросы азотсодержащих соединений

В воздухе чувствовался сильный запах азота
Легендарный перл (чистый азот не имеет запаха).

Азотная проблема не так знаменита, как углеродная, а между тем, заслуживает серьезного внимания. Азот обладает парадоксальными свойствами. Это один из самых важных для жизни элементов. В природе его предостаточно: четыре пятых всей атмосферы - молекулярный азот (N₂). Но связи между атомами в этой молекуле настолько сильны, что почти никто не в силах их разорвать и связать азот, включить его в состав химически активного соединения.

До начала двадцатого века преодолеть инертность чистого азота могли две силы. Некоторые виды микроорганизмов, обитающие на корнях бобовых, могли (и могут) усваивать азот прямо из воздуха и таким образом включать его в пищевую цепь. Молнии заставляют азот реагировать с кислородом, тоже образуя химически активное соединение. Теперь к ним добавился человек, который научился искусственно связывать чистый азот, развел множество бобовых, микрообитатели которых также продолжают его связывать, и стал сжигать топливо при таких температурах, что оказавшийся поблизости азот, как и при ударе молнии, не выдерживает и начинает реагировать с кислородом.

Связывать азот нужно: без этого не будет удобрений, которые позволяют прокормить человечество. Но в итоге в окружающую среду выбрасывается много азотсодержащих соединений, которые способствуют парниковому эффекту, разрушению озонового слоя, выпадению кислотных дождей, перенасыщению водоемов связанным азотом. Между тем, производство и использование удобрений можно сделать значительно более эффективным, что уже уменьшит выбросы азота.

Предоставить всем доступ к чистой воде

Каждый шестой человек из ныне живущих не имеет нормального доступа к чистой воде. Воды не хватает для питья и санитарных нужд, не говоря уже о потребностях сельского хозяйства и промышленности. При этом пресной воды на планете достаточно, но распределена она крайне неравномерно.

Эксперты возлагают надежды на совершествование опреснения воды, хотя уверены, что одного его будет недостаточно. Также придется очищать и повторно использовать загрязненную воду, а также уменьшить потребление воды, сделав его более эффективным.

Улучшить инфраструктуру городов

Под инфраструктурой понимаются все основные системы, поддерживающие жизнедеятельность в населенном пункте: водопровод, канализация, электросеть, газопровод, транспорт. По мнению экспертов, городские инфраструктуры по всему миру стремительно стареют и портятся, а на их замену и ремонт денег нет. Между тем, новые строительные материалы, возможности компьютерного проектирования и автоматизированного строительства открывают широкие возможности.

Оптимизировать использование информационных технологий в медицине

ИТ в медицине - это возможность быстро искать данные о болезнях и лекарствах, возможность получить подробную историю болезни пациента, возможность создавать новые приборы для отслеживания (пусть даже дистанционного) состояния пациента и многое другое.

С другой стороны, это возможность нанести человеку вред, похитив его личные данные из медицинских сетей, мелкие проблемы перехода со старых, бумажных систем (например, выписывания рецептов) на новые, электронные, проблемы несовместимости программ и многое другое.

Одним словом, как и везде: новые возможности, новые проблемы. Но в медицине каждая ошибка, каждая потеря данных, каждая задержка, и, наоборот, каждая полезная информация, каждая выигранная минута времени врача, как известно, могут стоить чрезвычайно много.

Создать более эффективные лекарства

Люди, хоть и принадлежат к одному биологическому виду, заметно отличаются друг от друга: по-разному болеют, по-разному выздоравливают. Современные лекарства изготавливаются для "среднего больного", а ведь это значит, что для кого-то они будут работать не самым эффективным образом.

По мнению экспертов, достижения науки - в первую очередь, генетики - позволят в будущем создавать "личные лекарства", оптимальные для конкретного человека: эффективные, но безопасные. Для этого надо решить множество теоретических и практических проблем: научиться быстро собирать генетические данные человека, обрабатывать их, создавать лекарство, тестировать его.

Создать мыслящие машины

Прогресс в этой области впечатляет, но в общем случае задача очевидным образом не решена: искусственный интеллект не создан. По мнению экспертов, один из возможных путей к его созданию - более тщательное изучение и моделирование интеллекта естественного - человеческого мозга.

Польза от искусственного интеллекта очевидна. Эксперты особенно подчеркивают, что если физически ИИ создан по образу и подобию человеческого мозга, то, возможно, сможет использоваться для лечения заболеваний и повреждений мозга.

Отдельного внимания СМИ удостоилось пророчество одного из экспертов - Рэймонда Курцвэйла: к 2029 году интеллект машин сравняется с человеческим. "Железо" и "софт" разовьются настолько, что машинам будут доступны даже эмоции.

Предотвратить ядерный террор

-Я так соображаю, Лешка, человек теперь пошел живучий. Раньше, чтобы человека убить, фактически финский нож требовался али топор. А теперь его только бомбой можно. Этой, как его… водопроводной, – сказал дед, подумав.
Я представил себе водопроводную бомбу. Издевается, старый негодяй!
Михаил Анчаров, Теория невероятности

Что может сделать террорист, в руки которому попадет достаточное количество урана или плутония, понятно. Шестьдесят с небольшим лет назад задача создания атомной бомбы была технически настолько сложна, что ее долго не могли решить лучшие умы планеты, но теперь-то она решена, и значительная часть необходимой информации опубликована. В домашних условиях атомную бомбу сделать вряд ли можно, но в лаборатории - вполне. Еще проще сделать "грязную" бомбу, главной опасностью которой будет не энергия взрыва, а долгосрочное радиоактивное загрязнение.

А значит, считают эксперты, надо очень хорошо хранить все потенциально опасные вещества, в частности, охранять ядерные реакторы. Если хранили плохо и бомба все же была изготовлена, то надо уметь ее обнаруживать и обезвредить. Если же не смогли и бомба взорвалась, то надо уметь срочно принять меры по уменьшению количества жертв, очистки территории и поиску преступников.

Сделать киберпространство безопасным

Чем большую роль объединенные в сеть компьютеры играют в жизни общества, тем важнее обеспечить их защиту. Компьютеры хранят банковские счета, государственные тайны, медицинские данные и управляют городской инфраструктурой. Рай для злоумышленника - необходимо проследить, чтобы рай оставался недоступным.

Развивать виртуальную реальность

НЕО: Я знаю кун-фу!
Братья Вачовски, Матрица

Виртуальная реальность - это не только мир компьютерных игр и сюжет научно-фантастических фильмов и книг. Это иллюзия пребывания в особом пространстве, которая, по мнению экспертов, может использоваться в психиатрии и образовании для лечения и обучения.

Страх высоты можно лечить, прогуливаясь с пациентом по краям скал - но не настоящих, а нарисованных. В виртуальности хирурги могут тренироваться проводить операции, инженеры - проводить испытания изделий, ученые - ставить эксперименты. И, конечно, там можно развлекаться.

Развивать индивидуальный подход к обучению

Сижу на экзамене. Не знаю, как решить задачу. Вылез с мобилы в асю. Какой-то незнакомый чувак от доброй души решил мне помочь. Вот. Сдаю работу. Препод ее смотрит и мне говорит: "Слушай, я сейчас какому-то чуваку в аське точно такую же задачу сделал".
Цитата с сайта bash.org.ru. Орфография оригинала не сохранена.

Все учатся по-разному: кто-то быстрее, кто-то медленнее. Кому-то нужны постоянные указания и пояснения учителя, кто-то может усваивать новый материал только сам. Это не говоря уже об очевидных различиях в уровне подготовке и просто в способностях. В системе образования, как правило, подобные ученики сортируются к подобным, но любая группа все равно будет неоднородна.

По мнению экспертов, значительную часть этих проблем может решить индивидуальный подход. При современных возможностях представления информации, ее поиска, дистанционного образования (или просто удаленной связи учитель-ученик), считают эксперты, он вполне возможен.

Эксперты приводят пример, как можно выбрать наилучший способ подачи материала конкретному ученику. Используется генетический алгоритм (заимствован у программистов, которые, в свою очередь, заимствовали его у природы): качество усвоения материала регулярно проверяется тестами, при плохих результатах метод подачи полностью или частично меняется. Рано или поздно неэффективные компоненты должны "вымереть", а эффективные - развиться.

Разработать инструменты для совершения научных открытий

Наука не может обойтись без инструментов. Биологам нужны микроскопы, астрономам - телескопы, физикам - ускорители. Вероятно, на некоторые вопросы о структуре мироздания мы пока не знаем ответа лишь потому, что не имеем достаточно мощных инструментов (известный пример: запуск Большого адронного коллайдера должен показать, адекватна ли Стандартная модель - одна из фундаментальных современных теорий).