Бесконечный источник энергии и другие ожидаемые прорывы в науке 2020-х годов

Горящая плазма — энергия от заряженных частиц, созданная реакцией ядерного синтеза. Аналогична той, что лежит в основе существования Солнца и других звезд. Заключить этот практически бесконечный (по меркам человека) источник энергии в клетку — голубая мечта не одного поколения физиков.

В декабре 2025 года запустят в строй первый по-настоящему мощный термоядерный реактор — International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER). Он станет важным «шагом в преодолении разрыва между нынешним пониманием и знаниями, необходимыми для проектирования и эксплуатации термоядерных электростанций в качестве безопасных и устойчивых источников энергии», пишут видные эксперты в вопросах термоядерного синтеза.

ITER — это экспериментальный термоядерный реактор. Он не будет генерировать энергию, все его тепло будет рассеиваться в атмосфере. Он будет работать импульсно, предоставит ученым уникальную возможность изучить горение плазмы, разработать инструменты, необходимые для ее лучшего понимания, и подтвердить прогнозы.

Реактор сможет генерировать 500 МВт мощности в течение более 300 секунд. Ранее мощность, которая достигалась на термоядерных установках, не превышала 16 МВт (Joint European Torus в Великобритании). Эксперименты дадут фундаментальные ответы на вопросы, имеющие центральное значение для перспектив синтеза.

В 2010 году стартовал проект Compact Fusion Reactor (CFR). Его разрабатывают в Skunk Works — секретной лаборатории Lockheed Martin, которая чаще работает над авиационными военными проектами. В итоге должен получиться компактный термоядерный реактор, который станет заметно более дешевой альтернативой ITER.

Предполагалось, что CFR сможет поместиться в большой грузовик и будет весить около 20 тонн, но позже эти предположения были скорректированы. Новые параметры примерно такие: 18 метров в длину, 7 метров в диаметре и около 2 тыс. тонн веса.

Свое искусственное солнце в 2020 году должен запустить и Китай. Токамак HL-2M расположен в городе Лэшань, и… информации о нем в англоязычном интернете совсем немного.

Редактирование генома

В 2012 году технология генетических ножниц CRISPR-Cas9 ворвалась на мировую сцену исследовательской медицины. Генетики научились вырезать вредные мутации из ДНК. Разработка вызвала фурор в научной среде, так как является более дешевым, быстрым, точным и эффективным из существующих методов редактирования генома. Этот метод подсмотрели у бактерий, которые таким образом отключают вирусы, разрезая их ДНК в нужном месте.

Во всех заголовках СМИ под закат прошлого десятилетия прогремела история китайского исследователя, который применил эти генетические ножницы к эмбрионам, чтобы сделать их невосприимчивыми к ВИЧ.

Тем не менее эта технология остается развивающейся. Редактирование генома может стать волшебной палочкой в лечении и профилактике заболеваний человека. Но пока опыты проводятся преимущественно на клетках и животных. Ведь если ножницы промахнутся и отрежут не свою цель, то нарушат естественную работу генома и могут потенциально привести к развитию рака. Опыты по редактированию первичных половых клеток и эмбрионов пока находятся под запретом во многих странах.

Мы хотим верить, что в ближайшее десятилетие безопасность этого метода редактирования генома человека будет окончательно доказана, а в рецензируемых журналах будут опубликованы итоги тестирования технологии на людях. Например, Editas Medicine декларировала, что возьмется за испытания своих разработок на основе CRISPR-Cas9 для лечения редкого наследственного заболевания сетчатки — амавроза Лебера, которое приводит к полной потере зрения. В ноябре 2018 года компания получила разрешение на клинические испытания.

Во второй половине 2020-го могут начаться клинические испытания компании Intellia Therapeutics, которая в качестве врага выбрала амилоидоз — накапливание аномальных белков в тканях.

Космическое око

В сфере космических полетов у нас куда больше ясности относительно прорывов. Так, есть запланированные опорные точки на 20-е годы нынешнего столетия.

30 марта 2021 года наконец-то должен состояться запуск многострадального космического телескопа имени Джеймса Уэбба. Устройство за 10 лет должно провести более 2 тыс. наблюдений за планетами и малыми телами внутри Солнечной системы, за экзопланетами, галактиками и прочими вселенскими штуками. Предполагается, что с помощью нового телескопа астрономы смогут рассмотреть свет первых звезд, образованных после Большого взрыва.

Аппарат первоначально планировали запустить еще в 2007-м, но сроки постоянно сдвигались: изготовление оптической системы для телескопа оказалось крайне сложной задачей, а бюджет под это вскоре дорос почти до $10 млрд.

Колонизация Луны

Где-то в середине 2020-х годов американцы в рамках миссии «Артемида» собираются вернуться на Луну, со временем обустроить там обитаемое поселение и создать фундамент под освоение Марса. За форсирование этого проекта радеет администрация Дональда Трампа. Задачу американский президент поставил в 2019 году: высадка должна быть осуществлена в 2024-м.

В конце 2022 года произойдет пилотируемый орбитальный облет спутника Земли. Его планируют осуществить с помощью ракеты-носителя Space Launch System и корабля Orion. Первую ступень SLS уже можно было наблюдать совсем недавно во время ее перевозки для проведения испытаний.

Успех программы позволит начать и строительство международной окололунной станции Lunar Orbital Platform-Gateway. Она займется изучением Луны и дальнего космоса, а в более далеком будущем станет перевалочным пунктом для космонавтов, которые полетят к Марсу. Окончательно станцию, по оптимистичным прикидкам, могут собрать к концу этого десятилетия.

Колонизация Марса
Другое лакомое местечко для человека в этой звездной системе также может испытать на себе вес его подошвы. Илон Маск больше трех лет назад пообещал уже в этом десятилетии доставить человека на Марс и даже основать там полноценную колонию, которая сможет поддерживать свое существование. Как обычно, план американца чрезвычайно амбициозен и скоротечен: высадка человека на Красную планету должна состояться в 2024 году. По итогу все может растянуться по временной шкале на куда больший промежуток.

В ноябре 2019-го Маск поделился обновленным планом по колонизации Марса, согласно которому туда придется отправить около тысячи космических кораблей Starship. За 20 лет они доставят на Красную планету грузы, инфраструктуру и поселенцев.

В ближайшее время компания SpaceX планирует начать тестирование космического корабля Starship высотой 118 метров и вместительностью до сотни человек. В текущем году он должен с туристами на борту облететь вокруг Луны. Что из этого получится, увидим совсем скоро.

Создание квантового компьютера

В конце 2019 года Google заявила о достижении «квантового превосходства» — переломного момента, когда квантовый компьютер может решить задачу, которая практически не под силу классическому компьютеру. Специалисты компании утверждают, что им удалось за 3 минуты и 20 секунд завершить вычисление, на которое у традиционного компьютера ушло бы около 10 тыс. лет. Но система Google умеет выполнять только один расчет и не является универсальной.

Квантовые компьютеры для обработки данных используют явление квантовой суперпозиции. Если обычный компьютер оперирует значениями 0 и 1, то квантовые оперируют кубитами, которые имеют одновременно значения и 0, и 1, что радикально увеличивает скорость работы. Создание первого настоящего квантового компьютера называют ключом к миру цифрового будущего.

Достижение Google вскоре было оспорено специалистами IBM, первоначальная публикация об исследовании была удалена. Многие эксперты полагают, что результаты эксперимента были преувеличены и не имели практического применения.

Тем не менее потенциал квантовых компьютеров считается едва ли не безграничным. Особенно на фоне быстродействия современных суперкомпьютеров. Квантовый компьютер сможет щелкать зашифрованные самыми современными криптографическими алгоритмами сообщения, и в мире не останется ничего скрытого. Для того, кто первым создаст не экспериментальный, а рабочий квантовый компьютер.

Но до тех пор ученым придется решить очень много практических задач в различных областях физики. Несмотря на все сложности, специалисты смотрят в будущее со сдержанным оптимизмом. Вице-президент IBM назвал три-пять ближайших лет как момент появления первых коммерческих квантовых компьютеров.

Интерфейс «мозг — компьютер»

Идеей совместить мозг человека и компьютер последние десятилетия грезят и фантасты, и ученые. Тем не менее возможность вживить в человеческий мозг мощь современного компьютера как притягивает, так и пугает. В первую очередь интерфейсы «мозг — компьютер» пригодились бы людям, которые по тем или иным причинам частично ограничены в передвижениях.

Илон Маск добрался и до нейроинтерфейсов. В 2016 году он основал компанию Neuralink, которая занимается перспективными разработками в этой сфере. Прошедшим летом она показала свои наработки: гибкие, тоньше человеческого волоса «нити», по которым мозг будет обмениваться сигналами с машиной, нейрохирургического робота, способного аккуратно вводить эти нити в человеческий мозг, а также чип, который умеет читать, очищать и усиливать сигналы мозга.

Технологию уже протестировали на крысах и обезьянах. Маск упомянул, что некоторые животные были способны управлять компьютерной программой с помощью лишь силы своего мозга, но в подробности экспериментов вдаваться не стал. Во втором квартале 2020 года после получения разрешения от регулятора компания планирует начать тестирование технологии на людях.

Как и любое детище Маска в разных областях науки, Neuralink пока громче всех заявляет о себе в сфере нейроинтерфейсов. Но разработки ведутся и другими компаниями. Например, Second Sight в 2017 году получила одобрение на клинические испытания своего импланта, который способен обратить частичную или полную потерю зрения. Чип вживляют в кору головного мозга, он стимулирует нейроны зрительной коры и помогает пациентам увидеть хоть что-то.

Ждем громких новостей и прорывов в 2020-х годах.