Самозапильні культури, виробництво ліків на вимогу, сенсорна діагностика та будинки, надруковані на 3D-принтері, — серед технологій у цьому списку.

Багато країн зобов’язалися встановити нові амбітні цілі зі скорочення викидів парникових газів у цьому десятилітті. Виконання цих обіцянок залежатиме від розвитку та масштабування зелених технологій.
Дві такі технології — виробництво «зеленого» аміаку та штучні культури, що виробляють власні добрива, — обидві спрямовані на підвищення сталості сільського господарства й увійшли до списку нових технологій цього року.


Від сенсорів дихання, здатних діагностувати хвороби, до бездротового заряджання пристроїв із низьким енергоспоживанням — список провідних нових технологій цього року сповнений надихаючих досягнень, пов’язаних із довкіллям, здоров’ям та інфраструктурними рішеннями. Експерти звузили кількість номінацій до обраної групи нових розробок, які можуть порушити статус-кво та стимулювати реальний прогрес.
Ось 10 найкращих нових технологій 2021 року:

Посилення декарбонізації

Через століття після того, як учені припустили, що надлишок вуглекислого газу в атмосфері Землі змусить її утримувати тепло й спричинить потепління планети, розгортаються глобальні зусилля з декарбонізації всіх аспектів повсякденного життя. Уряди та промисловість узяли на себе принципові зобов’язання скоротити викиди вуглецю.

Виконання цих зобов’язань упродовж наступних трьох-п’яти років потребуватиме безпрецедентних інновацій і масштабування до промислового рівня таких зародкових технологій, як масове зберігання енергії, низьковуглецеві або безвуглецеві хімічні джерела, оновлений залізничний транспорт, низьковуглецеве сільське господарство, нульові викиди вуглецю з вихлопних труб автомобілів та джерел енергії, а також узгоджений моніторинг дотримання вимог у глобальному масштабі.

Культури, що виробляють власні добрива

Сьогодні у світі щороку використовують понад 110 мільйонів тонн азотних добрив, щоб підвищити врожайність сільськогосподарських культур. А що, якби посіви могли самостійно вловлювати азот, «фіксуючи» його у формі аміаку, як це роблять бобові, зокрема соя та квасоля? Оскільки це одна з передових технологій, дослідники тепер прагнуть навчити й інші культури, як-от кукурудзу та інші зернові, також самостійно удобрювати себе.

В одному підході дослідники працюють над імітацією симбіотичного молекулярного зв’язку між бобовими та бактеріями, щоб створити кореневі бульбочки — фабрики з виробництва природних добрив для бобових. В іншому ґрунтові бактерії, які зазвичай колонізують корені злаків (але зазвичай не утворюють бульбочок), навчаються виробляти нітрогеназу — ключовий компонент, що перетворює атмосферний азот на сумісний із рослинами аміак.

Діагностика хвороб за допомогою дихання

Незабаром тестування на хвороби стало для пацієнтів таким же простим, як видих. Нові сенсори дихання можуть діагностувати хвороби, вимірюючи концентрації понад 800 сполук, що містяться у видиху людини. Наприклад, підвищена кількість ацетону у видиху людини свідчить про цукровий діабет. Сенсори відстежують зміни електричного опору, коли суміші газів із видиху проходять крізь напівпровідник із металевого оксиду. Потім алгоритми аналізують дані сенсорів.

Хоча цю нову технологію ще потрібно вдосконалити, перш ніж вона набуде широкого поширення, у дослідженні, проведеному в березні 2020 року в Ухані, Китай, сенсори продемонстрували вражаючу точність у 95 відсотків під час виявлення COVID-19 та чутливість 100% під час диференціації пацієнтів.

Виготовлення ліків на замовлення

Сьогодні ліки зазвичай виробляють великими партіями в багатоступеневому процесі, причому різні його етапи розкидані по всьому світу. Для завершення процесу із використанням сотень тонн матеріалів можуть знадобитися місяці, що створює певні проблеми із забезпеченням узгодженості та надійності постачання. Завдяки досягненням у мікрофлюїдиці та виробництві ліків на вимогу тепер можна за потреби виробляти невелику, але дедалі більшу кількість звичайних фармацевтичних препаратів.

Цей процес, який також називають безперервним виробництвом, переміщує інгредієнти трубками до невеликих реакційних камер. Ліки можна виготовляти в портативних машинах у віддалених місцях або польових лікарнях, причому дози адаптують до окремих пацієнтів; невирішеною проблемою залишається зниження високої вартості цієї нової технології.

Енергія від бездротових сигналів

Інтернет речей (IoT) складається з мільярдів електронних пристроїв, які використовують підключення до Інтернету для певних аспектів своєї роботи. Сенсори Інтернету речей, часто пристрої з надзвичайно низьким енергоспоживанням, що передають дані, важливі для нашого повсякденного життя, потребують постійного підзаряджання, оскільки термін служби батарей обмежений, а після розгортання в місцевих умовах фізичний доступ до них часто може бути неможливим.

З появою 5G, що тепер забезпечує бездротові сигнали відповідної потужності, крихітна антена в сенсорах Інтернету речей може «збирати» енергію з таких сигналів. Попередник цієї нової технології вже давно використовується в автоматизованих «мітках», що живляться від радіосигналів, які випромінюються, коли водії проїжджають через пункти стягнення плати за проїзд.

Боротьба зі старінням

За прогнозами Всесвітньої організації охорони здоров’я, частка населення світу віком 60 років і старше майже подвоїться — з 12 до 22 відсотків у період з 2015 по 2050 рік. Старіння пов’язане як із гострими, так і з хронічними захворюваннями, зокрема раком, діабетом 2 типу, деменцією та хворобами серця.

Дослідники продемонстрували початкове розуміння молекулярних механізмів старіння, які можуть допомогти нам не лише жити довше, а й зберігати здоров’я. Використовуючи технології omics (які можуть одночасно кількісно визначати активність усіх генів або концентрацію всіх білків у клітині, наприклад) та ідеї епігенетики, дослідники можуть ідентифікувати біологічні маркери, які є надійними предикторами хвороб і слугують мішенями для проактивних методів лікування.

Аміак стає зеленим

Щоб прогодувати світ, рослинам часто потрібні добрива, вироблені з аміаку, — і у великих кількостях. Синтез аміаку для добрив передбачає енергоємний метод, який називається процесом Габера — Боша та потребує великої кількості водню. Сьогодні більшу частину водню виробляють за допомогою електролізу — розщеплення молекул води з використанням електроенергії — або високотемпературного крекінгу вуглеводнів. Енергія, необхідна для роботи обох методів, нині спричиняє викиди величезної кількості парникових газів.

Оскільки відновлювані джерела енергії нині стають дедалі поширенішими, з’являється «зелений» варіант водню, вироблений без викидів парникових газів. Окрім усунення надлишку вуглецю з атмосфери, зелений водень не містить забруднювальних хімікатів, які інакше потрапили б у нього під час використання викопного палива як джерела; ця чистота дає змогу ефективніше здійснювати каталіз для стимулювання виробництва аміаку.

Бездротові пристрої для вимірювання біомаркерів

Ніхто не любить голок. Та багато поширених гострих і хронічних захворювань вимагають частого забору крові у великій чи малій кількості для моніторингу біомаркерів, важливих для відстеження перебігу лікування раку, діабету та інших захворювань. Досягнення у сфері бездротового зв’язку з низьким енергоспоживанням, а також нові методи хімічного зондування за допомогою оптичних та електронних сенсорів дають змогу безперервно й неінвазивно стежити за важливою медичною інформацією.

Понад 100 компаній розробляють бездротові пристрої для вимірювання біомаркерів у широкому спектрі застосувань, приділяючи особливу увагу діабету з огляду на його глобальне поширення. Бездротове підключення дає змогу миттєво отримати доступ до даних, якщо це потрібно для втручання віддаленого медичного працівника.

Будинки, надруковані на 3D-принтері з місцевих матеріалів

Будівництво будинків за допомогою великомасштабних 3D-принтерів уже має обмежене поширення у США та інших розвинених країнах. У країнах, що розвиваються, де обмежена інфраструктура ускладнює доставку матеріалів, нещодавні демонстрації з використанням 3D-принтерів зробили крок уперед завдяки використанню матеріалів місцевого виробництва — глини, піску та місцевих волокон — для друку конструкцій. Це усуває потребу приблизно в 95% матеріалів, які довелося б транспортувати на будівельний майданчик.

Ця нова технологія може забезпечити надійні укриття у віддалених регіонах, де житла вкрай бракує і немає життєздатних транспортних мереж. Це може докорінно змінити ситуацію для країн, які інакше часто залишаються позаду.

Космос об’єднує земну кулю

Сенсори в Інтернеті речей (IoT) можуть записувати й передавати важливу інформацію про погоду, стан ґрунту, рівень вологості, стан урожаю, соціальну активність та безліч інших цінних наборів даних. Завдяки нещодавній появі безлічі недорогих мікросупутників на низькій навколоземній орбіті, здатних збирати такі дані по всьому світу та передавати їх до центральних об’єктів для обробки, Інтернет речей забезпечить безпрецедентний рівень глобального розуміння, охопивши раніше недоступні регіони країн, що розвиваються, позбавлені традиційної інтернет-інфраструктури.

Такі проблеми, як захищені канали передавання даних із низьким енергоспоживанням і короткий термін служби супутників на низькій навколоземній орбіті, залишаються, але стабільний прогрес обіцяє глобальне розгортання в найближчі три-п’ять років.