Фотографии: iter.org, flickr.com: CMP73, Getty/Fotobank, eia.doe.gov, AFP/East News, AP/Fotolink, CERN Geneva, st.com

Всем давно понятно, что человечеству пора научиться правильно использовать солнечную энергию. Пока же солнечные генераторы умеют превращать в электричество только 10—20% падающего на них света, немногим больше, чем фотосинтезирующие растения. По этой причине себестоимость солнечной энергии очень велика и ее использование экономически невыгодно. Например, чтобы обогревать стандартный коттедж, расположенный в Подмосковье, одних только солнечных батарей не хватит, даже если увешать ими всю крышу дома. В наших широтах мало солнца, поэтому без вспомогательных источников энергии не обойтись.

В настоящее время практически вся потребляемая энергия поступает от сжигания углеводородного сырья — нефти и газа, но довольно скоро они закончатся, и использование солнечной энергии станет насущной необходимостью. Чтобы электрические кофеварки не превратились в ближайшем будущем в предмет роскоши, надо срочно повышать КПД солнечных генераторов.

02. Перейти с урана на водород

Термоядерные реакции — это примерно как ядерный распад, только наоборот: слияние легких атомных ядер в тяжелые. Термоядерные реакции сопровождаются выделением огромного количества тепла — достаточного для того, чтобы, допустим, светило солнце или взрывались водородные бомбы. Голубая мечта энергетиков состоит в том, чтобы использовать энергию термоядерных реакций для нужд человечества и избежать при этом жертв среди мирного населения. Сейчас во Франции строят первый экспериментальный термоядерный реактор — ITER, мощностью в 500 мегаватт. Если испытания пройдут успешно, то человечество понастроит еще сотни таких реакторов и получит практически неисчерпаемый источник энергии еще на многие столетия. А главным топливным элементом станет не дорогой уран, а дешевый водород.

За последние двести лет концентрация углекислого газа (CO2) в атмосфере выросла почти в полтора раза не в последнюю очередь из-за того, что люди все время что-то жгут. Это не очень хорошо, потому что избыток углекислого газа приводит к глобальному потеплению и в перспективе — к таянию ледников в Антарктиде, жутким наводнениям, ураганам и прочим малоприятным последствиям. Чтобы углекислый газ не попадал в атмосферу, его надо научиться собирать и где-то хранить. Удачной свалкой CO2 могут стать опустошенные нефтяные месторождения, угольные пласты и пористые горные породы. Может быть, можно будет просто сваливать его на дно океана в виде нерастворимых соединений. В любом случае с CO2 надо что-то делать.

Азот, из которого на 80% состоит воздух, очень инертен, и его очень сложно превратить во что-нибудь полезное. Для большинства живых организмов это составляет определенную проблему, поскольку все они в большой степени состоят из соединений азота — а связывать его, то есть включать в состав белков, умеют лишь некоторые бактерии. Связанный азот всегда был в некотором дефиците, пока не появились люди и не завалили весь мир нитратными удобрениями. Теперь нитратные удобрения разлагаются, и получаются агрессивные оксиды азота, разрушающие озоновый слой и вызывающие глобальное потепление. Но отказаться от них нельзя — кушать тоже что-то надо. Задача ученых — разработать методы снижения выбросов азота, которые не отразятся негативно на показателях сельского хозяйства и не приведут к повышению цен на продукты.

Пресная вода составляет только 3% от мировых запасов. И распределена она по поверхности земли крайне неравномерно: в Канаде или России воды хоть залейся, а на Ближнем Востоке, например, или в Северной Африке — ее почти нет. По оценкам ООН, каждый шестой человек на земле испытывает нехватку чистой воды. Самый простой способ решения проблемы — опреснение морской воды. Но распространенный ныне метод опреснения — обратный осмос — очень дорог. Возможно, получится удешевить процесс за счет наноосмоса при помощи углеродных нанотрубок, но это пока только мечта. В XXI веке будут разрабатываться и другие источники питьевой воды — в частности, очистка сточных вод. Так что питьевая вода из канализации, видимо, станет реальностью уже довольно скоро.

Инфраструктура больших городов устарела не только физически, но и морально. Канализационные трубы, телефонные кабели и электрические провода переплетаются у нас под ногами самым причудливым образом, и даже коммунальные службы не в состоянии сказать, где у них что находится. Картирование всех объектов инфраструктуры и защита их от поломок становится важнейшей инженерной задачей. Кроме того, в скором времени в растущих мегаполисах придется создавать принципиально новую транспортную инфраструктуру. Станции метро, автобусные остановки, стоянки такси и вокзалы будут объединяться в общие транспортные центры. Все это потребует не только проектирования коммуникаций, но и создания новых долговечных материалов, чтобы все это строить.

В век информационных технологий бумажные медицинские карты выглядят явным анахронизмом. Давно уже пора создавать современные, своевременно обновляемые базы данных, с тем чтобы все необходимые сведения о состоянии здоровья пациента были доступны врачу в любой точке мира. Информационные системы позволят наблюдать за пациентами, где бы они ни находились. Электронные датчики, вживленные под кожу, сообщат врачам, когда пациенту потребуется медицинская помощь. Борьба с эпидемиями и биологическим оружием тоже будет отдана на откуп электронике — маленькие роботы возьмут пробы воды и воздуха, обнаружат возбудителей всех болезней и сообщат куда надо.

Традиционная медицина изучает и лечит то, что есть в нас всех общего. Этот подход работает до поры до времени — зеленка и парацетамол действуют на всех одинаково, но рано или поздно дают сбой: что одному русскому хорошо, то какому-нибудь немцу — смерть. ДНК-код каждого из нас содержит сотни тысяч индивидуальных особенностей, а набор антител нашей иммунной системы и вовсе образуется путем совершенно случайного соединения специальных генетических блоков. Когда-нибудь врачи, столкнувшись с наследственным или иммунным заболеванием, будут расшифровывать геном конкретного человека и создавать специальные препараты, которые будут решать его и только его проблемы. С другой стороны, антибиотики широкого спектра действия убивают сотни видов бактерий, в том числе и полезные, вместо того чтобы действовать на конкретного возбудителя заболевания. Должно же быть наоборот: определяем виновника болезни, быстро находим в библиотеке или создаем подходящее лекарство и лечим им пациента, не ослабляя при этом его организм. Это как в военном деле: ковровые бомбардировки должны уступить место прицельным точечным ударам.

Кибернетики уже полвека бьются над созданием искусственного интеллекта, свободно мыслящей машины, но что-то пока ничего у них не выходит. Кратчайший путь к успеху — разобраться наконец, каким образом устроен человеческий мозг, и попробовать воспроизвести его работу техническими средствами. Мало того что это, возможно, научит машины мышлению, самоусовершенствованию и интуиции — мы сможем кроме этого заменять части мозга искусственными устройствами, которые расширят его возможности и позволят лечить психические заболевания. Между разумной машиной и машинизированным разумом после этого можно будет установить прямую связь — и разница между ними постепенно исчезнет. Пока такая перспектива скорее пугает, но никто и не обещал, что прогресс — это сплошной айфон и BitTorrent.

Самая практическая из всех поставленных задач скорее менеджерская, чем научная. Принципиальные схемы бомбы доступны каждому уже полвека, так что дело — только за материалами. В мире сейчас имеется под два миллиона килограммов плутония и обогащенного урана, а для создания бомбы, сходной с той, что была сброшена на Хиросиму, достаточно всего пары десятков. Рецепт предлагается один: не пущать. Следить за реакторами, собирать разведданные, вводить санкции против стран, считающих режим нераспространения ядерного оружия несправедливым. На всякий случай нужен план Б — как после взрыва спасать людей, обеззараживать территорию и ловить террористов.

Наша жизнь все больше проходит в интернете. Скоро там окажутся почти все медиа, коммуникации, торговля, культура, финансы, даже государственное управление. Между тем все известные способы киберзащиты так или иначе уязвимы: пароли и шифры ломаются, вирусы эволюционируют, электронные атаки на интернет-сайты становятся все более масштабными. Возможные решения, увы, предусматривают вполне тоталитарные меры: сбор биометрических данных пользователей, тотальная слежка и широкомасштабные спецоперации. Кроме этого, предлагается придумать новые языки программирования и вообще — внимательнее разрабатывать программное обеспечение.

Специальные очки, наушники и датчики движения уже давно способны создать иллюзию, что вы находитесь там, где вас на самом деле нет, и даже можете передвигаться по этому выдуманному миру. Чего вы пока не сможете — так это стукнуться о виртуальную ножку кровати, почувствовать виртуальное дуновение ветра или понять, что встреченный вами там персонаж — хороший и умный человек, с которым здорово было бы познакомиться. Впрочем, эти недостатки в интерфейсе и графике — ничто по сравнению с тем, что, помимо развлечений, для виртуальной реальности пока почти нет осмысленных применений. Из недавних идей — тренировка пилотов и хирургов, лечение фобий вроде боязни высоты и проведение штабных военных совещаний через интернет.

Нынешнее массовое образование стрижет всех под одну гребенку. Даже если ты можешь выбирать предмет — выбрав его, ты вынужден учить его так же, как все. Это страшно неэффективно, ведь один схватывает на лету, а другому нужно повторять по три раза. Один предпочитает воспринимать текст, другой — графические образы. Кому-то проще учиться, самостоятельно решая задачи, кому-то — задавая вопросы преподавателю. Для того чтобы все это учесть, требуются методики обучения, которые сами приспосабливаются под нужды ученика. Прежде всего это компьютерные обучающие программы с обратной связью. Например, некоторые из них используют принцип эволюционного отбора модулей: после проверки усвоения материала самые эффективные методы проходят на следующий уровень, а остальные отбрасываются. Другие следят за ошибками ученика, а потом предлагают задания, в которых объясняются недопонятые правила. Короче, делают все то, что по идее должен делать хороший учитель.

14. Перевооружить науку

Чтобы понять устройство мира, ученым мало просто строить гипотезы и проверять их экспериментами. Современная фундаментальная наука не может двигаться вперед без помощи инженеров. Это относится ко всему спектру исследований — от микромира до структуры пространства-времени и общей теории поля. Для биологических исследований требуются новые микроскопы, центрифуги и программы анализа геномных данных. Для физики — с каждым годом все большие ускорители, телескопы и космические системы. Ученые как передовой отряд человечества на границах незнаемого нуждаются в тыловом обеспечении все более совершенным, сложным и дорогим оборудованием. Зато каждый их новый успех дает возможность инженерам построить в будущем очередные невероятные устройства.