Дэниел Франклин - Мегатех. Технологии и общество 2050 года в прогнозах ученых и писателей

Это сильно отличается от того, что было в прошлом. Перед тем как Томас Эдисон в 1879 году продемонстрировал первую работающую лампочку накаливания, в поиске подходящей нити для своего изобретения ему пришлось пройти долгий путь проб и ошибок, испытав 1600 различных видов материалов — от кокосового волокна до волос из бороды коллеги. Сегодня найти подходящие материалы вроде новых полупроводников — чтобы создать светодиоды, превращающие электроэнергию в свет гораздо эффективнее горячих нитей, — изобретатель может с помощью облачного суперкомпьютера. Изобретение светодиодов случилось благодаря успехам в области материаловедения. А к 2050 году их преемники из отдельных световых элементов превратятся в осветительные пленки, встроенные в потолочные панели зданий. Производителям последних придется стать специалистами еще и в области освещения, чтобы не дать компаниям, занимающимся светом, захватить рынок потолочных панелей. С подобными смещениями специализации бизнеса столкнутся и многие другие отрасли.

Этот процесс могут ускорить усилия по сбору больших данных, например как это делается в проекте с открытым доступом Materials Project на базе кластера суперкомпьютеров в Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли, Калифорния. Он предполагает сбор и хранение свойств около 100 тысяч известных и предсказанных соединений для формирования своего рода «генома материалов». Таким образом, при необходимости найти вещество с заданными свойствами для конкретной работы: проводимость, твердость, эластичность, способность впитывать или отталкивать другие соединения и т. д., — будущие исследователи вместо того, чтобы пойти по пути Эдисона, укажут требуемые характеристики, и компьютер предоставит им список подходящих вариантов.

Некоторые из уже найденных материалов станут хорошей альтернативой кремнию при изготовлении более быстрых и мощных чипов для компьютера и лучших батарей. На эту роль вполне может претендовать графен — «чудо-материал» всего в один атом толщиной, открытый в 2004 году в Манчестерском университете. Ведется исследование и множества других наноматериалов. Они вызывают повышенный интерес еще и потому, что при организации материи на таком микроскопическом уровне в ней возникают совершенно необычные явления. С помощью современных технологий обработки можно превратить некоторые сыпучие материалы в наноматериалы, что позволит воспользоваться вновь возникшими их характеристиками или улучшить имеющиеся, будь то физические, химические, механические или оптические.

Подобные преобразования изменят не только производство продукции, но и жизнь людей. Более мощные аккумуляторы позволят создать широкий диапазон электромобилей и обеспечат более длительную работу множества мобильных устройств — от смартфонов до домашних роботов. Они также поспособствуют переходу к рынку энергии из возобновляемых источников путем сохранения ее в энергосистеме, а также в зданиях, самостоятельно генерирующих солнечную и ветряную энергию. Благодаря этому к 2050 году многие дома и предприятия перейдут на автономные электрические сети.

Мощные компьютеры нередко помогали ученым делать все новые открытия. Подобная ситуация сложилась и в области индустриализации. Все больше и больше продуктов будут начинать свой путь к потребителю в качестве виртуальных прототипов задолго до создания реальных физических объектов. Например, с помощью компьютера можно спроектировать новый автомобиль, уточнить параметры его двигателя и подвески, подобрать наилучшие аэродинамические характеристики. Используя виртуальную реальность, можно будет даже провести тест-драйв получившейся машины. Подобным же образом компьютеры могут быть использованы для проектирования и моделирования производственных систем, предназначенных для превращения виртуальных идей в реальность.

Печатный мир

Зачастую эта реальность будет означать не только модернизацию существующих методов производства, но и разработку совершенно новых. Наиболее перспективный процесс в этом отношении — аддитивное производство, известное многим под названием «3D-печать». Хотя она начала применяться еще в 1980-х, усовершенствованное аппаратное и программное обеспечение лишь в последние годы привело к созданию широкого спектра 3D-принтеров стоимостью менее 1000 долларов для любителей и более 1 млн долларов для специализированных инженерных приложений.

Сегодня эти машины используют десятки различных методов для печати предметов из самых разных материалов: пластика, стекла, металла, керамики и даже биологических веществ. Тем не менее фундаментальный принцип, лежащий в основе этой технологии, остается неизменным: наращивание слоев вместо их удаления путем разного рода обработки (как на традиционном производстве). При этом образуется меньше отходов, поскольку 3D-принтер накладывает материал только там, где это необходимо. Эти устройства могут воспроизводить и сложные формы, геометрию которых трудно или невозможно изготовить при помощи обычных инструментов, и даже структуры внутри твердого объекта (которые могут создаваться внутри внешних слоев с самого начала).

Поначалу 3D-печать использовалась в первую очередь для быстрого прототипирования, что по большей части предполагает изготовление вещи в одном экземпляре, причем за небольшой промежуток времени и дешево. Настраивать традиционные машины на заводе для того, чтобы сделать всего один экземпляр — дорогой и достаточно долгий процесс. С 3D-принтерами, управляемыми программным обеспечением, в этом отношении гораздо проще. Поэтому сегодня существует стабильная тенденция к тому, чтобы получать все больше конечных продуктов с помощью аддитивного производства (или прямой объемной цифровой печати).

Кое-кто считает, что в будущем в каждом доме появится 3D-принтер, позволяющий создавать необходимые изделия при помощи загруженного из Интернета ПО. В ближайшие полвека для всех, кроме любителей делать все своими руками, это останется лишь фантастической идеей. Тем не менее в будущем 3D-печать станет неотъемлемой частью массового производства. Консультант по вопросам индустрии Терри Волерс прогнозирует, что рынок 3D-печати вырастет с 6,7 млрд долларов в 2016 году до 1,13 трлн в 2040-м (рис. 10.1).

Некоторые крупные компании уже значительно продвинулись в организации аддитивного производства. Например, General Electric (GE) установила на своей фабрике в Оберне, штат Алабама, 3D-принтер стоимостью 50 млн долларов, «печатающий» топливные форсунки для нового реактивного двигателя LEAP из сплава кобальта, хрома и молибдена. Топливная форсунка — это сложная деталь, которая должна выдерживать чрезвычайно высокие температуру и давление. Обычно она делается из 20 различных компонентов, сваренных вместе. При производстве LEAP сопла печатаются единым блоком: путем добавления последовательных слоев материала в порошкообразной форме и выплавления необходимых форм с помощью управляемого компьютером лазера. Полученные топливные форсунки на 25 % легче и в пять раз долговечнее обычных. К 2020 году GE планирует печатать 100 тысяч топливных форсунок в год.