Þær 12 nýjungar sem við þurfum til að bjarga mannkyninu og jörðinni

ÉG HEF aldrei verið aðdáandi vísindaskáldskapar. Ég er mjög grunsamlegur um allar of góðar til að vera sannar fullyrðingar um „tímamóta“ uppgötvanir. En ég hef líka skrifað mikið um umbreytandi áhrif uppfinninga, allt frá tilbúnu ammoníaki til áburðarframleiðslu og hálfleiðarabúnaði í rafeindatækni til 5-í-1 bóluefnisins , sem bóluefni gegn ýmsum sjúkdómum. Það sem meira er, mér sýnist augljóst að við þurfum nýjar grundvallarframfarir eins og þessar til að takast á við þær fjölmörgu efnahagslegar, félagslegar og umhverfislegar áskoranir sem við stöndum frammi fyrir um þessar mundir. Ég fjalla um hugsanlegar framfarir í nýju bókinni minni, Invention and Innovation: A short history of hype and failure .

Það er ekki auðvelt að bera kennsl á forgangsverkefni fyrir hugsanlegar byltingar, ekki síst vegna þess að það er svo mikið pláss fyrir umbætur. Hugleiddu orku. Bill Gates hefur tekið fram að: „Helming tækninnar sem þarf til að ná núlllosun er annaðhvort ekki til eða er of dýr fyrir stóran hluta heimsins að hafa efni á. Þú gætir sagt það sama um alla vísinda- og tækniflokka. Þar að auki er einhver listi yfir eftirsóknarverðustu uppfinningarnar skylt að vera huglægar. Ef þú lítur á minn sem frekar íhaldssaman, þá játa ég sök: það er engin ferð hraðar en ljós, engin jarðmyndun annarra reikistjarna.

Þess í stað ná yfir 12 helstu nýjungarnar mínar, sem ég setti hér fram, margvísleg málefni sem við þurfum brýn að taka á. Þeir einbeita sér að sviðum sem munu hafa mest áhrif á líðan mannsins og umhverfið og þar sem þegar er þekking til að byggja á. Óskalistinn minn inniheldur meira að segja þrjár breytingar sem við getum öll unnið að núna (sjá „ Stærri og betri “).

Alhliða forveri bóluefnis

Mannkynið stendur frammi fyrir meiri hættu á smitsjúkdómum en nokkru sinni fyrr. Þeir geta komið upp í suðrænum skógum eða í stórum borgum, síðan breiðst hratt út um heiminn með alþjóðlegum ferðalögum og smitast auðveldlega í yfirfullu borgarumhverfi. Okkur hefur verið gert sársaukafullt meðvitað um þetta undanfarin þrjú ár vegna kórónuveirunnar. Það lagði einnig áherslu á mikilvægi bóluefna – og brýn þörf fyrir betri.

Bólusetning hefur náð langt: hún hefur útrýmt bólusótt og hjálpað til við að stjórna mörgum öðrum smitsjúkdómum, þar á meðal lömunarveiki, mislingum og stífkrampa. Í dag eru til nokkrar tegundir bóluefna og við vitum hvernig á að nota þau gegn ýmsum sýkla. Engu að síður, þegar nýr sjúkdómur kemur upp, verðum við samt að þróa bóluefni frá grunni. Og það tekur tíma. Við höfum séð komu mRNA bóluefna, sem nota erfðaefnið sem kallast boðberi RNA til að segja frumum okkar að framleiða prótein sem kennir líkama okkar að þekkja innrásarher. Hröð erfðafræðileg raðgreining er mikilvæg fyrir tæknina. Framfarir mRNA hafa dregið verulega úr þeim tíma sem það tekur að finna upp ný bóluefni – úr mánuðum eða árum í daga. En meira að segja met Pfizer/BioNTech útsetning covid-19 bóluefna tók níu mánuði. Það er nægur tími fyrir árásargjarnan nýjan sjúkdómsvald að drepa margar milljónir manna.

Helst, til að draga úr þessari töf, myndum við hafa alhliða bóluefnisforvera sem hægt væri að „virkja“ á rannsóknarstofunni með sýni af nýjum veiru- eða bakteríusýkla til að búa til bóluefni sem væri öruggt, áreiðanlegt og gæti vera framleidd án þess að nota flókna iðnaðartækni sem er óaðgengileg öllum nema stærstu lyfjafyrirtækjum. Hingað til er það næst sem við höfum komist þessu eru rannsóknir á „pönnu“ bóluefnum sem ná yfir alla vírusa í tilteknum flokki, eins og kransæðaveiru. Í nóvember 2022 tilkynntu vísindamenn að þeir hefðu búið til a alhliða inflúensubóluefni sem virkar á allar 20 þekktar undirgerðir inflúensu A og B í músum. En hvernig myndi alhliða undanfari líta út og hvernig væri hægt að stilla hann til að búa til hvaða bóluefni sem þú vilt? Í bili vitum við það bara ekki.

Lækning við Alzheimer

Frá stofnun þess á þriðja áratugnum hefur Matvæla- og lyfjaeftirlit Bandaríkjanna (FDA) samþykkt meira en 1800 meðferðir við sjúkdómum í mönnum. Það eru til lyf sem meðhöndla eða jafnvel lækna tilkomumikið úrval af hugsanlegum banvænum sjúkdómum, þar á meðal ýmis krabbamein, bakteríusýkingar og háan blóðþrýsting. Önnur eru hönnuð til að draga úr einkennum óþægilegra en ekki lífshættulegra sjúkdóma, allt frá húðbólgu og mígreni til fótaóeirðarheilkennis. Því miður er heilabilun – þar sem Alzheimerssjúkdómur er algengasta form – ekki meðal læknanna sjúkdóma. Og þegar íbúar eldast, veldur þetta sífellt stærra vandamáli fyrir mannkynið. Nú þegar hefur Alzheimer áhrif á um 2 prósent íbúa Bandaríkjanna og um 44 milljónir manna um allan heim. Heilabilun kostar heiminn nú um 1 prósent af landsframleiðslu sinni .

Það eru nokkur lyf sem veita tímabundna léttir frá einkennum Alzheimers. Til dæmis koma dónepezíl, galantamín og rivastigmin í veg fyrir niðurbrot asetýlkólíns, efnaboðefnis í heilanum sem er mikilvægt fyrir árvekni, minni, hugsun og dómgreind, en memantín stjórnar virkni annars taugaboðefnis sem kallast glútamat. En þessi lyf hafa oft alvarlegar aukaverkanir. Þar að auki geta þeir ekki hægja á eða stöðva framgang sjúkdómsins.

Að finna lækningu við Alzheimer er krefjandi vegna þess að það er a flókið og illa skilið ástand. Tilgátur um hvað veldur því eru allt frá bólgu til misfellingar próteina í heilanum. FDA samþykkti aðeins fyrsta lyfið til að miða á meinta undirliggjandi orsök árið 2021. Aducanumab dregur úr magni skellu af próteini sem kallast beta-amyloid í heilanum, þó að í klínískum rannsóknum hafi það ekki tekist að sýna greinilega fram á ávinning á daglega starfsemi fólks, hugsun eða minni. Árið eftir kom tilkynning um fyrsta Alzheimer lyfið – lecanemab – sem sagðist hægja á vitrænni hnignun. Hins vegar er deilt um virkni þess og þar að auki, það hefur nokkrar alvarlegar aukaverkanir. Með hvaða mælikvarða sem er, verður lækning við Alzheimer að vera í efsta sæti yfir eftirsóknarverðustu framfarir í vísindum. Fáar aðrar læknisaðgerðir myndu veita einstaklingum jafn mikla hjálp, stuðning við bágstaddar fjölskyldur og léttir á ofþreytu heilbrigðiskerfi.

Köfnunarefnisbindandi korn

Þegar mannfjöldi fer yfir 8 milljarða, er sífellt meira magn af köfnunarefnisbundnum áburði notað til að rækta plöntur til að fæða okkur. Árið 2020 fengu ræktun 113 milljónir tonna af því, 40 prósentum meira en árið 2000. Hins vegar, vegna uppgufunar, útskolunar, rofs og umbreytingar þess í köfnunarefnisgas af völdum jarðvegsörvera, endar aðeins um helmingur af beitt köfnunarefni í uppskera – stundum allt að 20 prósent. Þetta tap er mjög óvelkomið núna þar sem áburðarverð er svo hátt. Enn verra, það veldur gríðarlegu umhverfisspjöllum, svo sem súru regni, mengun vatns af völdum nítrata og myndun súrefnissnauðra „dauðra svæða“ á grunnum strandsvæðum.

Ólíkt grunnkornaræktun þurfa belgjurtir eins og baunir og baunir litla sem enga köfnunarefnisfrjóvgun. Þeir fá köfnunarefni sitt beint frá samlífisbakteríum sem tengjast rótum þeirra. Hugmyndin um að veita korni, grænmeti og annarri ræktun svipaðan köfnunarefnisbindandi eiginleika hefur verið til staðar í heila öld. Það var meira að segja keppt af Norman Borlaug, sem hlaut friðarverðlaun Nóbels árið 1970 fyrir að þróa ræktunarafbrigði með mikla uppskeru sem kröfðust mikillar notkunar köfnunarefnis. Í þakkarræðu sinni lýsti Borlaug von um að á tíunda áratugnum myndi mannkynið hafa „græna, kröftuga, afkastamikla akra af hveiti, hrísgrjónum, maís, dúra og hirsi, sem fá án kostnaðar 100 kíló af köfnunarefni. á hektara frá hnúðamyndandi, köfnunarefnisbindandi bakteríum“.

Síðan þá hefur verið nokkur árangur í að greina köfnunarefnisbindandi gen og færa þau í tilraunaskyni yfir á plöntur sem ekki eru belgjurtir. En köfnunarefnisbindandi korn er enn draumur og enginn veit hversu langan tíma það tekur að verða að veruleika.

Skilvirkari ljóstillífun

Þróunin hefur skilið plöntur eftir óhagkvæma leið til að umbreyta orku í lífmassa. Aðeins um helmingur þeirrar sólargeislunar sem berst til plöntu er nothæfur í ljóstillífun og það fellur niður í 44 prósent eftir að endurkasta græna ljósið hefur verið dregið frá og skilur eftir blá- og rauða hluta litrófsins. Meira tap á sér stað í því ferli að breyta þessu ljósi í efnaorku, þannig að aðeins 4,5 prósent af sólarorku er breytt í kolvetni. Og það er fræðilegt hámark. Takmarkað framboð af vatni og næringarefnum þýðir að ljóstillífun breytir venjulega minna en 1% af innfallandi sólargeislun í lífmassa. Jafnvel tiltölulega lítil framför myndi gera a mikill munur á uppskeru sem stendur í stað núna eða eykst bara hægt.

Rannsóknir á síðasta áratug benda til þriggja leiða að þessu markmiði. Eitt er að bæta skilvirkni rubisco , ensímsins sem flýtir fyrir myndun nýs lífmassa. Annað er að finna gen sem gera rætur skilvirkari við að safna vatni og næringarefnum og nota tilbúna verkfræði til að fella þetta inn í plöntur . Þriðja myndi byggja á uppgötvun hrísgrjónaplantna með meiri uppskeru , hraðari vöxt og skilvirkari notkun köfnunarefnis. Við þurfum fleiri framfarir eins og þessar til að auka verulega uppskeru af ræktun ef við ætlum að fæða mannfjölda nægilega vel sem gæti vel vaxa í 10 milljarða árið 2050.

Betri rafhlöður

Ef við ætlum að skipta stórum hluta jarðefnaeldsneytis út fyrir rafmagn verðum við að finna betri leiðir til að geyma það. Sem stendur er möguleg orka í dældum vatnsaflsverkefnum meira en 90 prósent af raforkugeymslu um allan heim. Hins vegar, þegar kemur að rafvæðingu flutninga, þá þurfum við rafhlöður sem skila meiri orku miðað við stærð þeirra – fleiri wattstundir á lítra (Wh/l).

Árið 1859, þegar Gaston Planté fann upp blýsýrufrumuna, var orkuþéttleiki hennar um 60 Wh/l. Í dag eru hundruð milljóna slíkra rafgeyma undir húddum ökutækja knúnum brunahreyflum og skila þær um 90 Wh/l. Nútíma nikkel-kadmíum rafhlöður geta geymt 150 Wh/l. En litíumjónarafhlöður – þróaðar á níunda áratugnum og notaðar í dag til að knýja rafbíla sem og farsíma, fartölvur og önnur flytjanlegur rafeindabúnaður – eru nú besti kosturinn. Og þeir hafa enn meiri möguleika. Besti litíumjónaframleiðandinn í atvinnuskyni – notaður í milljónir rafbíla – er Panasonic módel 2170, með orkuþéttleika upp á 755 Wh/l. Amprius Technologies frá Kaliforníu er að þróa litíum rafhlöður sem geta geymt 1150 Wh/l, sem gerir þær að stærðargráðunni orkuþéttari en bestu blýsýrugeymslurnar.

Þrátt fyrir þessar endurbætur er orkuþéttleiki rafgeyma enn mun lakari en í fljótandi eldsneyti sem ræður ríkjum í hvers kyns flutningum: Bensíngjald 9600 Wh/l, flugsteinolía 10.300 Wh/l og dísilolía 10.700 Wh/l. Hversu hratt gætum við minnkað bilið? Á undanförnum 50 árum hefur mesti orkuþéttleiki fjöldaframleiddra rafhlaðna fimmfaldast. Ef við getum jafnað það hlutfall á næstu 50 árum, þá myndum við ná 3750 Wh/l. Það myndi gera rafvæðingu þungra vega- og sjóflutninga mun auðveldari en hún er í dag, en það væri samt ófullnægjandi fyrir rafmagns Boeing 787. Við þurfum ofurrafhlöður og því fyrr því betra.

Sjálfhreinsandi, ljósvaka „málning“

Sól er besti kosturinn til að framleiða endurnýjanlega raforku. Jafnvel þó þú teljir vindmyllur ekki vera augnsár, eyða þær gríðarlegu magni af efnum – allt að 400 tonnum á hvert megavatt af uppsettu afli, sem er meira en 60 sinnum meira en gasturbínur. Þeir þurfa líka oft langlínuflutninga til að koma rafmagni frá vindasömum svæðum til stórborga. Aftur á móti nota ljósvirki, þar sem hálfleiðandi efni umbreyta sólarorku í rafmagn, um 60 tonn af efni á hvert megavatt af afli og hægt er að setja þær upp á hvaða sólríka stað sem er. Nútíma útgáfur eru líka nokkuð endingargóðar og halda frammistöðu sinni í að minnsta kosti tvo áratugi, sem er sambærilegt við vindmyllur.

Enn sem komið er kemur mest ný sólarorka frá stórum virkjunum á ónýttu landi. Borgir væru betri staðsetning. Þeir hýsa nú þegar meira en helming mannkyns, munu búa um 70 prósent fólks árið 2050 og eru langstærstu neytendur raforku. Þannig að það væri mikill fengur að hafa ljósvökvahúð sem hægt væri að bera, næstum eins og málningu, á hvaða þéttbýli sem er, tengdur við invertera sem staðsettir eru í einstökum byggingum og fæða inn í staðbundin net. Auðvitað myndi það hjálpa ef þessi húðun væri líka sjálfhreinsandi.

Við höfum náð nokkrum framförum í átt að slíkum flötum. Nú er hægt að búa til sólarsellur úr plasti og raforkuframleiðandi sólargluggar eru á markaðnum. Ennfremur framleiðir glerframleiðandinn Pilkington sjálfhreinsandi glugga, þar sem ljóshvata og vatnssækna húðun bregst við sólarljósi til að brjóta niður og losa um lífræn óhreinindi. Næsta skref verður að gera þessi efni ódýr og aðlögunarhæf. Þá getum við sett þau upp í mælikvarða sem takmarkast aðeins af stærð veggja okkar og glugga.

Grænni plast

Heimsframleiðsla á plasti er að nálgast 400 milljónir tonna á ári. Á sama tíma eru viðleitni okkar til að draga úr skaðlegum umhverfisáhrifum þeirra aumkunarverð. Ávinningurinn af því að banna einnota innkaupapoka, til dæmis, minnkar við vöxtinn í öðru einnota plasti eins og þynnupakkningum og alls staðar nálægum samlokum sem notuð eru í matvælaumbúðir. Á meðan, aðeins a lítill hluti alls plasts sem við fleygum er endurunnið eða brennt. Í hátekjulöndum lendir flestir á urðun. Í lágtekjulöndum, sérstaklega í Asíu, berst mikið í hafið þar sem makró- og örplast safnast fyrir í yfirborðsvatni og jafnvel í dýpstu skotgröfum.

Lífbrjótanlegt val, unnin úr ræktun eða framleidd af örverum, eru fáanlegir. Hins vegar eru þeir ekki mikið notaðir og eru minna en 1 prósent af allri framleiðslu. Að auki gegnir plast svo mörgum mismunandi hlutverkum að við þurfum að finna upp margs konar græna valkosti sem eru bæði ódýrir og sterkir. Til að koma í veg fyrir samkeppni við matvælaframleiðslu ætti þetta ekki að vera búið til úr ræktuðum efnasamböndum, heldur úr lífrænum úrgangi sem er aðgengilegur, örverum og ólífrænum efnum. Þetta er enn gríðarleg áskorun – með jafn gríðarlegum verðlaunum.

Steinsteypa án sements eða stáls

Ríkjandi efni nútíma siðmenningar er járnbentri steinsteypa. Það samanstendur af blöndu af sementi, vatni og malarefni styrkt með stálstöngum. Sement er aftur á móti venjulega búið til úr kalksteini, skeljum og krít ásamt leirsteini, leir, leirsteini, gjalli úr háofnum, sandi og járngrýti. Heimsframleiðsla á sementi fer nú yfir 4 milljarða tonna á ári og þetta orkufreka ferli stendur fyrir um 8% af kolefnislosun á heimsvísu. Sementi er blandað vatni og malarefni – aðallega sandi – til að búa til 14 milljarða tonna af steinsteypu og það leiðir til eyðing á ám og fjörusandi – eyðimerkursandur er lélegur kostur vegna þess að korn hans eru ávalin af vindrofi og því of slétt.

Hægt er að búa til steinsteypu án sements með því að skipta út flugösku eða háofnsgjalli, en framboð þessara efna er takmarkað og mun minnka enn frekar eftir því sem kolabrennslan minnkar og ný járnbræðsluaðferð er tekin upp. Árið 2021 tilkynntu japanskir vísindamenn að þeir hefðu fundið leið til að búa til steinsteypu án sements með því að tengja sandagnir beint (þar á meðal frá eyðimörkum) með því að nota einfalt hvarf í áfengi með hvata. Viðleitni til að skipta út stálstangunum í járnbentri steinsteypu fyrir grænni valkost er lengra komin. Þýskir verkfræðingar hafa smíðað fyrstu byggingu heimsins úr steinsteypu sem styrkt er með koltrefjum . Hins vegar var aðeins um sýnikennsluverkefni að ræða og var kolefnissteypan um 20 sinnum dýrari en venjuleg vara. Í framtíðinni mun mesta eftirspurnin eftir steypu vera frá lágtekjulöndum, þannig að við þurfum að sameina þessar tvær tækni í efni sem er ódýrara en járnbentri steinsteypu í dag og auka síðan framleiðslu á heimsvísu.

Sólskuggi frá plánetu

Síðasta atriðið á listanum mínum er dálítið jokertákn. Þetta er umdeild hugmynd, en ef okkur tekst ekki að ná betri árangri í að stjórna losun gróðurhúsalofttegunda, gætum við þurft að grípa til þess að hindra hluta af beinni geislun frá sólinni. Að gera það í geimnum með því að nota risastóran skjöld eða sólhlíf væri minna uppáþrengjandi valkostur en að sprauta geislunargleypandi úðabrúsum inn í heiðhvolfið. Sólarhlífarhugmyndin hefur verið til í áratugi, en er enn langt umfram getu okkar til að þýða í raunveruleikann.

Að mynda sólskýli sem getur sveigt á milli 1 og 2 prósent af sólarljósi myndi fela í sér annaðhvort að beita milljörðum lítilla, léttra sjálfstýrðra seglfara eða gríðarstóra hindrun, sem gæti verið í formi skífu, mjög létrar linsu eða þunnt vírnet. . Þessari hindrun þyrfti að leggja í um 1,5 milljón kílómetra fjarlægð, á þeim stað sem er á milli sólar og jarðar þar sem þyngdarkraftar þeirra hætta við svo hlutur geti haldið sér í stöðu.

Það eru tvö risastór vandamál við þessa áætlun. Í fyrsta lagi myndi það þýða að eitthvað í stærðargráðunni 10 milljónir tonna af búnaði yrði skotið út í geiminn. Jafnvel með bjartsýnum forsendum myndi það kosta margar trilljónir dollara. Í öðru lagi, jafnvel þótt tæknilega mögulegt, myndi verkefnið krefjast bindandi alþjóðlegrar samstöðu og lagaramma áður en það gæti haldið áfram. Líkur á slíku samkomulagi myndu aukast ef hönnunin væri stillanleg og stjórnanleg. Engu að síður virðist þessi nýjung mun ólíklegri til að gerast í bráð en önnur atriði á óskalistanum mínum.

Visiris hljóð
Þú getur nú hlustað á margar greinar – leitaðu að heyrnartólatákninu í appinu okkar Visiris.com/app