авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 |   ...   | 4 | 5 || 7 |

«Нанотехнологии в России и мире. Сегодняшние черты нового технологического уклада Книга подготовлена в рамках государственного контракта № 16.647.12.2038 от 4 ...»

-- [ Страница 6 ] --

Наибольшего прогресс в нанотехнологиях в интересах космонавтики был достигнут в деле получения новых наноструктурных материалов с осо быми механическими, электрическими, электромеханическими, электрохи мическими, оптическими и магнитными свойствами. Эти новые свойства по зволят обойти ряд ограничений, налагаемых на создание аппаратов космиче ского пользования: механические – позволят преодолеть конструкционные ограничения, налагаемые условиями запуска аппаратов в космос;

оптические – позволят принципиально улучшить характеристики систем дистанционного зондирования Земли и планет, а также увеличить радиационную защиту;

термические – позволят решить проблемы воздействия экстремальных тем ператур, причем не только на внешние конструкции космических аппаратов (например при вхождении в атмосферу), но и на их содержимое;

электронные – позволят создавать конструкционные материалы с интегрированными в них сенсорами (например, для контроля повреждений), или новые электронные компоненты (в перспективе возможно создание множества новых видов сен соров).

Кроме того, как и для авиастроения в космонавтике также принципи ально важно, что наноструктурированные материалы позволят создавать принципиально более легкие конструкции: как за счет «облегчения» приме няемых конструкционных материалов, так и за счет повышения функцио нальности.

Вместе с тем, конструкционные наноматеривалы, применяемые в кос монавтите типологически сходны с материалами, применяемыми в авиа строении. Однако акцент смещен на боле широкое применение нанокерами ки.

Применительено к космонавтике нанокерамика характеризуется улуч шенными термомеханическими свойствами, повышенной трещиностойко стью, и улучшенной способностью к формоизменению. Использование для изготовления керамики нанопорошков оксидов (Al2O3, SiO2) или не оксидов (Si3N4, SiC, TiCN) позволяет понизить температуру спекания и уменьшить время затвердевания керамических материалов. Наноструктурированные ке рамические композиты могут обеспечить термозащиту и защиту от окисле ния конструкционных материалов. Высокая прочность и прозрачность такой керамики позволяет использовать ее для обшивки космических кораблей и для изготовления иллюминаторов.

Металлы, армированные керамическими волокнами могут придти на смену традиционным магниевым и алюминиевым сплавам. Такие материалы, как карбид кремния, оксид алюминия или нитрид алюминия потенциально могут применяться в космических кораблях. Как сообщается, прочность ком позитов на основе металлического матрикса с помощью наноструктурирова ния может быть повышена на 25%, при этом такие материалы сохраняют вы сокую пластичность и более устойчивы к усталостным нагрузкам, чем обыч ные металлические. В дальнейшем такие нанокомпозиты смогут стать более настраиваемыми и адаптивными, приобрести свойства самовосстановления, и нести в себе сенсорные системы. Использование таких материалов может дать существенный толчок развитию космических путешествий.

«Традиционные» композитные наноматериалы в космонавтике рас сматриваются черехз призму термозащитных свойств. Так улучшенные тер мические свойства материалов находят применение для защиты структур космических аппаратов в условиях действия экстремальных температур или неблагоприятных внешних условиях. Еще большее значение, чем в авиа строении, в космонавтике преобретают композиты с внедренными различ ными микро- и наносенсорами и эффекторами, в целях создания многофунк циональных «интеллектуальных» материалов.

В космических аппаратах покрытия используют либо для защиты внут ренних структур, либо для улучшения определенных свойств материалов.

Нанотехнологии позволят создавать целый ряд новых покрытий с улучшен ными старыми или принципиально новыми свойствами. В настоящее время основная масса исследований посвящена улучшению электрических и тепло изолирующих свойств существующих покрытий.

С помощью плазменного напыления можно осуществлять присадки проводящих наноструктур в опто-керамические покрытия. Достаточно малые концентрации наноструктур (не более 1%) практически не влияют на оптиче ские свойства керамики. Прозрачные пленки, содержащие углеродные на нотрубки, могут быть использованы как внешнее покрытие керамики для предотвращения накопления на ней зарядов.

В конструкциях термозащитных панелей, которые используются для защиты корпусов космических аппаратов, ключевую роль играет их электро проводность, так как она предохраняет от накопления статических зарядов на обшивке и предотвращает возникновение опасных электроразрядов. Обычно используемые для этого проводящие покрытия на основе оксидов индия и олова быстро окисляются, при этом их электропроводность резко снижается.

Именно поэтому в настоящее время разрабатываются проводящие покрытия на основе прозрачных полимеров. Их использование позволит отказаться от сотен проводников, которые соединяют внешний слой термозащитных пане лей с корпусом космического аппарата.

Для успешного прикладного применения наноструктурированных ма териалов в космонавтике ключевым моментом является разработка надежных методов их анализа и моделирования их поведения. Любые материалы, ис пользующиеся в космонавтике, предварительно проходят очень жесткое тес тирование и контроль. Разработка таких мер тестирования особенно важна для наномасштабных материалов, что связано с их малыми размерами и спе цифическими характеристиками. Такие тесты призваны как обеспечить безо пасность пилотируемых полетов, так и снижать финансовые риски потери дорогостоящего оборудования в космическом пространстве.

Современные космические корабли буквально напичканы электрони кой. Она контролирует все жизненно важные системы корабля (параметры орбиты, связь различных систем корабля, получение и преобразование энер гии), а также научную начинку. Нанотехнологические разработки в области космической электроники во многом произрастают из разработок электрон ных устройств наземного применения, так как в обоих случаях преследуются сходные цели: уменьшение стоимости и повышение рабочей эффективности.

Для достижения этих целей большие возможности предлагают нанотехноло гии, в частности, использование углеродных нанотрубок. Тем не менее, сле дует заметить, что, несмотря на свой префикс «нано», все же не нанотехно логии вносят основной вклад в миниатюризацию. В настоящее время боль шие успехи были достигнуты в применении MEMS в ряде подсистем, и, хотя уже разрабатываются первые NEMS, они не очень подходят на роль эконо мии массы космических кораблей.

Существенным ограничением на развитие электронных систем косми ческого базирования является необходимость работы их в условиях повы шенного радиационного фона. С этой точки зрения наилучшим технологиче ским ответом представляется использование в электронных компонентах уг леродных нанотрубок, которые изначально обладают высокой радиационной стойкостью.

Углеродные нанотрубки обладают потенциалом, позволяющим им в итоге стать базой для почти всех электронных устройств космического при менения. Они не только обладают уникальными токопроводящими свойства ми, но имеют существенное преимущество именно для космического приме нения: высокую радиационную стойкость. Недавние исследования показали, что электронные устройства становятся более устойчивыми к облучению по мере уменьшения их размеров.

На сегодня электронные устройства, состоящие только из нанотрубок, весьма сложно произвести и они очень дороги. Кроме того, сложности кон троля качества самих углеродных нанотрубок в процессе их производства, а также высокое контактное сопротивление нанотрубок создают серьезные проблемы на пути их использования. Поэтому, в настоящее время основным подходом являются разработки гибридных устройств, содержащих в себе как традиционные кремниевые технологии, так и нанотрубки.

С ростом числа бортовых аналитических систем и увеличением про должительности космических полетов растет и нужда в более емких систе мах хранения информации. На эти системы накладываются все те же ограни чения, которые выдвигаются к остальной космической электронной технике:

действие в условиях экстремальных температур, воздействия космических излучений и механических нагрузок. Нанотехнологии предлагают широкие перспективы получения новых типов энергонезависимой памяти для компь ютерных систем, которые в будущем будут вполне конкурентоспособны с традиционными типами микросхем памяти, такими как DRAM. Среди по следних такие как «биологическая память», MRAM и NRAM.

«Биологическая память» – это память на основе использования биоло гических молекул (белков, ДНК). Одной из таких молекул, активно изучаю щихся в последнее время, является бактериородопсин (bR). В настоящее вре мя ведутся эксперименты с генетическими мутациями bR, направленными на стабилизацию его индивидуальной конфигурации с целью увеличения устой чивости хранения данных. Еще одной молекулой, которую можно использо вать для создания памяти является порфирин. Проводятся также эксперимен ты по использованию в качестве памяти алмаза с атомами фтора и водорода на его поверхности. Такие структуры могут сохранять до 107 данных. MRAM (технологии магнито-электронной памяти) – особенно привлекательны для космонавтики, так как они потребляют мало энергии, изначально радиацион но устойчивы, и способны работать при высоких температурах. Использова ние в этой области концепций спинтроники может позволить существенно уменьшить размеры изделий. NRAM – это память высокой емкости на основе углеродных нанотрубок, которая по типу является асинхронной, динамиче ской и энергонезависимой. В будущем NRАM имеет хорошие перспективы заменить ныне существующие традиционные типы памяти, такие как DRAM, SRAM, или флэшь-память. Технология ожидаема именно космонавтикой из за своей высокой устойчивости к облучению.

Системы энергообеспечения космических аппаратов обычно обеспечи вают четыре основные функции: снабжение энергией, хранение энергозапаса, распределение мощностей и регулировка подачи энергии. Проблемы энерго снабжения всегда остаются одним из основных вопросов для всех космиче ских аппаратов. Так, все более компактные энергосистемы с эффективным выходом энергии позволяют увеличить время автономного полета.

Нанотехнологические разработки могут предложить существенные улучшения в таких областях, как областях создание новых источников пита ния и накопителей энергии, топливных ячеек и фоточувствительных мате риалов для солнечных батарей. Нанотехнологии могут также позволить улучшить существующие виды ракетного топлива, сделав его более энерге тически эффективным.

Ракетные топлива используются как источник энергии для ракетоноси телей, разгонных блоков и маневровых двигателей. Основными характери стиками ракетного топлива являются его энергоемкость и способность вы свобождать энергию за кроткий промежуток времени. Нанотехнологии могут улучшить существующие виды топлива, например, путем введения в него различных видов наночастиц. В частности добавления наночасиц алюминия увеличивает скорость горения топлива более чем вдвое. Эксперименты пока зывают, что скорость горения тем выше, чем меньше размеры вносимых в топливо частиц.

Солнечные фотоэлементы являются одной из наиболее перспективных систем для получения энергии для космических аппаратов. Технологии их производства давно отработаны, но для применения в космических аппаратах нужно решить проблемы износостойкости в условиях космоса (радиация, те пловая и коррозионная стойкость), а также повысить эффективность преоб разования световой энергии в электрическую. Эффективность солнечных элемпентов может быть также повышена применением поглощающих и са моочищающихся покрытий.

В настоящее время наиболее эффективными являются фотоэлементы, построенные на основе III/V-полупроводников, таких как GaAs и InP. Эф фективность преобразования энергии в таких элементах с тремя переходами доходит до 40-50 %. Эффективность преобразования энергии солнечных фо тоэлементов можно существенно повысить, используя в них полупроводни ковые квантовые точки. Подход состоит во внедрении в фотоэлемент слоя (или ряда слоев различных размеров) квантовых точек, которые поглощают излучение в области, нехарактерной для стандартных фотоэлементов, что по зволяет повысить эффективность преобразования энергии почти в два раза.

Модифицируя размеры квантовых точек можно добиться такой полосы их поглощения, которая будет комплементарна обычному диапазону поглоще ния фотоэлемента. Хотя поглощение квантовых точек лежит в промежуточ ном диапазоне длин волн, их вклад в общий выход энергии солнечного эле мента не требует согласования. В некотором смысле квантовые точки пред ставляют собой альтернативу многопереходным устройствам.

Представляется перспективным использование в космических аппара тах и органических фотоэлементов. Преимущества состоят в низкой себе стоимости таких элементов в сравнении с обычными солнечными батареями.

Основным препятсвием к их применению на настоящий момент является низкая эффективность органических фотопреобразователей. В настоящее время ведутся разработки различных типов органических фотоэлементов, в том числе и на основе элементов Грэтзела (Graetzel cell) (.

Единственный серьезный недостаток солнечных фотоэлементов состо ит в том, что они вырабатывают электроэнергию только на свету. Это застав ляет искать способы создания емких конденсаторов, которые могли бы раз ряжаться в ночное время. Существуют разработки конденсаторов типа «nanocap», которые представляют собой металлические наноэлектроды, по мещенные в нанопористый углеродный аэрогель.

Топливные элементы реализуют эффективный способ конверсии хими ческой энергии в электрическую и обладают достаточно привлекательным потенциалом для использования в космических аппаратах благодаря своей экологической чистоте и компактности. Нанотехнологии могут позволить существенно улучшить коэффициент преобразования энергии топливных элементов, в основном за счет применения новых катализаторов, мембран и более эффективных водород-аккумулирующих материалов. Последний мо мент является наиболее критическим для применения топливных элементов в космических кораблях.

Одной из перспективных платформ для генерации энергии являются топливные элементы с прямым окислением метанола в водород (DMFC). Од ним из основных препятствий на пути развития таких систем является посте пенное отравление катализатора окисью углерода. Положение можно испра вить путем использования металлических наночастиц или керамических на нопорошков. Еще один тип топливных элементов – это водородные топлив ные ячейки. Считается, что эффективность преобразования энергии у них как минимум в два раза выше, чем у DMFC. Критическим моментом при созда нии таких элементов является обеспечение хранения водорода. На роль водо род-аккумулирующих материалов проверялись многие наноматериалы, но первенство здесь принадлежит углеродным нанотрубкам. Благодаря своей цилиндрической структуре углеродные нанотрубки обладают довольно вы соким коэффициентом удержания водорода (4-5% при низких температурах 100оК). Углеродные нанотрубки могут также использоваться как анодный материал, в качестве добавок к твердым полимерным электролитам, как ак тивный катодный материал, использоваться для образования соединений ме жду двухполюсными платами как водородных таки и в метаноловых топлив ных ячейках. Использование углеродных нанотрубок частично решает про блемы лучевой деградации. Также представляет интерес еще одна трубчатая структура – BCN (боро-углеродно-нитридные нанотрубки), которые меняют свои электрические свойства в зависимости от соотношения бор/нитрид. Од нако, у этого типа материалов сложно контролировать размеры и спираль ность в процессе производства.

Космические системы энергообеспечения нуждаются в высокоэффек тивных аккумуляторных батареях, таких как литиево-ионные или никелево металлические гибридные аккумуляторы. Никелево-водородные или никеле во-металлические гибридные батареи часто используются в костюмах для выхода в открытый космос и в забортных космических устройствах. Мощные и миниатюрные батареи необходимы для повышения сроков автономной ра боты. Для возможного применения на космических станциях или в будущих лунных поселениях разрабатываются различные типы ионисторов (аккуму ляторы на основе высокоемких электролитических конденсаторов) или «ки нетических аккумуляторов», в которых энергия запасается в кинетическом движении раскрученных маховиков. Период эффективной эксплуатации и число циклов заряда-разряда аккумуляторов в большей степени зависит от свойств анодного материала. Наноструктурные материалы могут позволить увеличить емкость и долговечность аккумуляторов за счет контроля диффу зии зарядов и состояния окисления на наномасштабном уровне.

Альтернативой сегодняшнему материалу для анодов графитированно му углероду могут стать углеродные нанотрубки и фуллерены. Материалами для катодов могут стать углеродные аэрогели, углеродные нанотрубки, час тицы оксида ванадия или LiCoO2, а в качестве материала для анодов можно использовать оксиды Sn/Sb. В настоящее время исследуются такие структу ры, как слои углеродных нанотрубок (анод) вокруг металлического катода (медь), изучаются возможности внедрения лития и калия в однослойные и/или многослойные нанотрубки. В ряде экспериментов показано увеличение удельной энергоемкости элементов, в которых используется MnO2 или поли о-анизидин (POAS), а в качестве катодов применяется наноматериал TiO2.

Ожидается дальнейшее усовершенствование технологий, которое при ведет к повышению как энергоемкости, так и числа циклов заряда-разряда батарей на основе Ni/H и Li/C. В ионно-литиевых батареях использование в качестве электродного материла наночастиц оксидов кобальта, никеля и же леза может привести к увеличению их зарядной емкости на 600%. Рост ми ниатюризации электронных компонентов приводит к необходимости созда ния микроаккумуляторов, которые можно было бы встраивать непосредст венно электронные цепи. Тонкие пленочные аккумуляторы (особенно ионно литиевые), размеры и емкость которых позволяют интегрировать их непо средственно в электронные чипы, представляют несомненный интерес для космического применения Создание надежных систем жизнеобеспечения является одним их клю чевых направлений космических исследований и разработок. Особенную важность такие системы приобретают в связи со все увеличивающейся про должительностью полетов (а в перспективе – с подготовкой межпланетных пилотируемых полетов), развитием космического туризма и обеспечением работы Международной космической станции. Нанотехнологии могут пред ложить многочисленные решения по улучшению систем жизнеобеспечения космических аппаратов. Основными задачами в данной области являются:

обеспечение кислородом, контроль давления, вентиляция, отвод излишков тепла, очистка использованной воды, контроль за качеством воды, контроль за уровнем СО2, удаление продуктов жизнедеятельности экипажа, очистка и фильтрация воздуха, контроль влажности, контроль за состоянием здоровья экипажа, проведение обеззараживающих процедур. Нанотехнологии могут успешно применяться в системах запаса воздуха, обработке сточных вод и в различных контрольных датчиках.

Для контроля качества воздуха и обнаружения возгораний на борту ис пользуется «электронный нос», состоящий из целого комплекса газовых ана лизаторов. Нанотехнологии могут существенно повысить избирательность таких датчиков. Для улучшения эффективности электрохимических сенсоров могут быть использованы различные виды нанопорошков на основе керами ки и оксидов различных металлов.

Различные загрязнения и микроорганизмы можно эффективно удалять из воды с помощью наномембран. Преимущество наномембран перед обыч ными состоит в том, что у них значительно меньше забиваются поры, что важно в условиях космических экспедиций.

С развитием космических полетов медицинское обеспечение экипажа становится одним из ключевых моментов организации пилотируемых поле тов. Среди потенциальных опасностей здоровью космонавтов течение полета можно выделить следующее: ухудшение состояния костно-мышечной систе мы, потеря трудоспособности, заболевания сердечно-сосудистой системы, нарушения чувства равновесия, нарушения иммунной системы, лучевое по ражение, недостаточность средств бортовой диагностики и терапии.

Ключевым параметром бортовых медицинских систем в космическом полете становится их миниатюризация. Существенный прогресс в этой об ласти был достигнут путем применения в медицинских устройствах MEMS.

Нанотехнологии не смогут существенно уменьшить размеры медицинских устройств, но могут сделать их более многофункциональными, подобно уст ройствам типа «лаборатория в одной микросхеме». Основными задачами на сегодня являются создание минимально инвазивных переносных диагности ческих систем, методов ранней диагностики (особенно рака), методы полу чения биомолекулярных изображений, миниатюрные диагностические и те рапевтические системы. Нанотехнологии могут найти применение в сле дующих областях:

Миниатюрные аналитические устройства для медицинской диагности ки, позволяющие проводить комплексные анализы (по типу «лаборатория в одной микросхеме» для проведения прямых гематологических анализов на борту космических кораблей.

Наночастицы широко используются для обнаружения молекул (белков, ДНК). Для детектирования могут применяться наночастицы золота, полупро водниковые нанокристаллы (квантовые точки) или другие магнитные нано частицы.

Олигонуклеотидные биочипы позволяют одновременно проводить несколько аналитических процедур. Такие системы отличаются компактностью и высо кой скоростью проведения анализов. Это, прежде всего, нанобиочип – сверх чувствительный, не требующий меток, электронный биочип, созданный на основе матрицы наноэлектродов из углеродных нанотрубок. Нанобиочип по зволяет проводить экспресс-анализ генетических мутаций, которые в боль шинстве случаев могут стать причиной возникновения рака и генетических заболеваний.

Системы доставки лекарств реализуются на основе принципа создания наноразмерных молекулярных капсул (типа липосом, фуллеренов, или дру гих молекулярных капсул, например, с использованием дендримеров), либо присоединяя лекарственные препараты к наночастицам. Такие системы могут использоваться и для молекулярной диагностики.

Ожидается, что в будущем нанотехнологии позволят космонавтам осуществлять лечебные и диагностические процедуры во время длительных пилотируемых полетов, что особенно важно в связи с планируемыми долго срочными экспедициями за пределами земных орбит (миссия на Марс).

Нанотехнологии могут повысить комфорт и безопасность космонавтов за счет разработок новых видов космической одежды, адаптированной к ус ловиям полетов. В настоящее время ведутся различные разработки новых ти пов тканей, которые можно будет использовать не только для создания кос мической одежды, но и для обшивки космических аппаратов. На основе та кой ткани предполагается создание «умной одежды». Такая одежда, содер жащая в себе сеть проводящих волокон, позволяет дистанционно отслежи вать движения человека, частоту его сердечных сокращений и частоту дыха ния. Модифицированные ткани с новыми электрическими, магнитными или оптическими свойствами можно использовать для создания диагностической одежды для космонавтов. Внедрение в ткань костюма, например, серебряных наночастиц придают ей антибактериальные и противогрибковые свойства.

Спутники – это небольшие автоматические космические аппараты в первую очередь предназначенные для выполнения научных задач (наблюде ния, изучение космических излучений, исследования космоса и других пла нет), а в последнее время работающих и на коммерческие нужды (коммуни кации, системы глобального позиционирования). Для выполнения своих за дач спутники несут на своем борту различную аппаратуру, которая и пони мается под полезной нагрузкой (научной или коммерческой).

Очевидной тенденцией развития полезной нагрузки спутников является ее миниатюризация. Конечной целью миниатюризации спутниковой аппара туры может стать создание «спутника-на-микросхеме», то есть создание спутника, все функции которого будет осуществлять одна интегрированная микросхема. Прогнозируемые параметры такой микросхемы могут состав лять: площадь – 216 см2, толщина – менее 5 мм, масса – менее 100 г, пиковая потребляемая мощность – около 100 мВт.

Революционный потенциал, заложенный в нано- и пикоспутниках име ет и еще одну сторону. Если спутники становятся меньше, то можно за те же деньги осуществить запуск большего их количества, а значит, и избежать серьезных финансовых потерь в случае аварий на некоторых из них. Поэтому в настоящее время космические агентства могут использовать спутники не только для выполнения целевых задач, но и для тестирования в космосе но вых, еще не доведенных до совершенства технологий.

Современные спутники состоят из целого комплекса подсистем, из ко торых основными можно считать следующие:

Система электроснабжения: так как большинство спутников представ ляют собой автономные аппараты, ключевым моментом обеспечения их функционирования являются системы энергоснабжения. Все нанотехноло гии, описанные выше относительно энергетики, могут найти применение в этой спутниковой подсистеме.

Система обработки данных: Для обработки данных обычно использу ется спутниковый бортовой компьютер. Он получает команды с земли, коди рует и отсылает сообщения и руководит работой бортовых приборов. В эту подсистему входит как аппаратная часть, так и применяемые в ней програм мы. Нанотехнологии могут предоставить для этой подсистемы элементы, ус тойчивые к воздействию излучений, а также улучшить быстродействие циф ровой обработки данных.

Системы определения положения и параметров орбиты: Устройства, использующиеся в таких системах (например, гироскопы) должны быть с од ной стороны очень надежными, а с другой стороны весить как можно мень ше. Нанотехнологические разработки для таких систем могут включать в се бя как детекторы для определения векторов полета и положения спутника, так и средства мониторинга. В детекторы могут входить: оптические датчики (например, нанотехнологические устройства для звездной картографии), магнетометры (определение местоположения по геомагнитным полям), а также сенсоры на основе MEMS для определения степени углового переме щения.

Система коррекции полета: Так как в полете спутник испытывает воз действия различных сил, которые могут привести к изменению его орбиты, для ее коррекции он несет двигательную систему. Существует ряд разрабо ток, направленных на создание миниатюрных двигательных систем. К сего дняшнему дню на спутниках используются только MEMS или системы мик родвигателей (последняя технология заключается в использовании малых порций топлива, запаянных в герметические ампулы в кремниевом субстрате, однако сегодня ведутся разработки легких высокоемких накопителей энергии и микро- и нанотехнологических аккумуляторов, которые смогли бы постав лять энергию для систем коррекции орбиты в космических полетах.

Под научной нагрузкой понимают всю ту аппаратуру, которую спутник может вынести на орбиту, и которая не относится непосредственно к обеспе чению его полета и функционирования. Если речь идет о научной загрузке, то в число таких инструментов входят различные анализаторы (датчики, средства получения изображений), в случае коммерческих полетов – это обычно различные средства связи.

Таким образом, можно грубо определить три основных типа полезной нагрузки: датчики, средства получения изображений, системы связи В датчиках используются электронные компоненты, описанные ранее Датчики могут регистрировать биологические агенты (например, бактерий), химические агенты (состав атмосферы), или физические параметры. При из готовлении датчиков используются различные нанотехнологии, такие как квантовые точки, нанокристаллы, углеродные нанотрубки, нанофотонные волноводы. Геометрия и размеры детектора определяют количество частиц, которые он может захватить, а значит, и собрать достаточно данных для ста тистического подсчета. В этом смысле миниатюризация датчиков снижает их возможности массового отбора проб. Это является лимитирующим фактором миниатюризации датчиков.

Существуют датчики, которые используются для регистрации косми ческих частиц (солнечных фотонов, электронов радиационных поясов Земли, авроральных электронов) и терагерцового излучения. Во всех этих случаях применение функциональных наноматериалов либо позволяет сделать датчик более эффективным, либо предоставляют принципиальную возможность соз дания такого датчика.

Датчик, которые используются для обнаружения биомолекул, обычно построены по типу «лаборатории в микросхеме».

Наиболее совершенной структурой, содержащей наносенсоры, является разрабатываемый так называемый «черный ящик». Этот черный ящик содер жит в себе набор наносенсоров и будет прикрепляться к космическим кораб лям. При возвращении космического корабля на землю и входе его в плотные слои атмосферы черный ящик будет сбрасываться. Смонтированные в ящике наносенсоры будут регистрировать температурный режим и данные о дина мике давления. Эти данные впоследствии будут использованы для совершен ствования систем термозащиты у возвращаемых космических аппаратов.

К инструментам визуализации (получения изображений) относятся ка меры, спектрометры, альтиметры, фотометры, работающие как в видимом, так и в инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах, а также радары. Если гаоарить собственно про эти инструменты, то в них не наблюдается исполь зования нанотехнологий, кроме некоторых электронных микросхем, изготов ленных с использованием углеродных нанотрубок.

В будущем возможно использование некоторых инструментов визуали зации для изучения космических объектов нанометровых размеров, таких как сканирующие зондовые микроскопы, или ионные масс-спектрометры с раз решением порядка нанометров.

Нанотехнологии могут внести вклад в совершенствование процессов обработки и данных и систем связи. В состав системы коммуникации обычно всегда входят антенны для приема и передачи сигналов. Важнейшая перспек тива – создание фазированной антенной решетки на основе гетероструктур в гигагерцовом диапазоне.

Использование углеродных нанотрубок может существенно снизить массу СВЧ-усилителей. Дальняя космическая связь базируется на микровол новых частотах, а традиционные усилители сверхвысоких частот довольно тяжелы (1 кг).

В системах коммуникаций часто применяются и оптические каналы связи, в которых используются оптоэлектронные дифракционные элементы, оптоэлектронные преобразователи, и элементы фотоники. Применение нано структурированных оптоэлектронных компонентов в оптических системах связи спутников может существенно повысить их эффективность. В качестве таких компонентов могут выступать квантовые колодцы, лазеры на кванто вых точках или фотонно-кристаллические компоненты.

Альтернативным вариантом передачи данных в оптическом диапазоне может стать использование инфракрасных датчиков. Использования в инфракрас ных датчиках квантовых колодцев, квантовых проводников или квантовых точек дает им существенное преимущество, как в плане миниатюрности, так и в плане использования запрещенных энергетических Одной из основных задач конструкторов космических аппаратов явля ется создание полностью автономных космических систем, которые смогут самостоятельно заниматься сбором данных, анализировать их, сохранять ре зультаты измерений и обмениваться информацией, а также быть способными к самовосстановлению. Это могут быть как спутники, так и современные ро ботизированные системы.

Для решения проблем автономии исследователи обратили свое внима ние на спутниковые системы, получившие название кластеров или спутнико вых роев. Так как главная задача при формировании таких систем является защита информации и автономность, при их проектировании необходимо провести разработки адекватной пространственной обработки сигналов, соз дании микродвигателей ориентации, решения проблем совместного ориенти рованного полета, кооперативного контроля, применения MEMS/NEMS, и разработки соответствующих программ искусственного интеллекта.

Нанотехнологии могут сделать свой вклад в создание спутниковых ро ев по следующим направлениям: уменьшение размеров и веса структур за счет применения новых материалов, применение современных электронных устройств, использование более легких и мощных энергетических систем, применение передовых коммуникационных систем (так как число каналов связи между спутниками резко возрастает).

Нанороботов можно определить как роботизированные системы, спо собные передвигаться и управляться в сложных условиях внешней среды, собирать химические и биологические образцы или данные, обладающие системами связи с космическим кораблем-носителем либо с наземным цен тром управления. Это наиболее сложные из всех создаваемых ранее систем, так как они включают в себя все описанные выше технологии плюс систему передвижения, сенсоры, системы управления, и способны функционировать в неблагоприятном внешнем окружении.

Лабораторные разработки новых материалов и устройств позволят уже в ближайшем будущем надеяться на появление первых нанороботов. По мере прогресса в космонавтике сотни и тысячи таких устройств могут использо ваться для исследований труднодоступных мест других планет.

Глава 10. Глобальная технологическая революция В настоящее время в мире полным ходом идет глобальная технологи ческая революция. В течение последних 30 лет все нарастающими темпами осуществляются научные и технологические прорывы в биотехнологиях, на нотехнологиях, материаловедении и информационных технологиях, что при водит зачастую к революционным изменениям всех аспектов жизни общест ва. Темпы технологического развития вряд ли будут снижаться в течение ближайших 15 лет, а воздействия новых технологий на образ жизни челове чества будут все более радикальными. К 2020 году междисциплинарное тех нологическое развитие может привести к улучшению качества и увеличению продолжительности человеческой жизни, коренным переменам в структуре промышленного производства и к глобальным переменам распределения по литических и экономических сил.

В большинстве случаев люди не представляют в полной мере сути но вых технологий, но они очень быстро разбираются, какую выгоду можно из влечь из их применения, и как эти новые технологии могут повлиять на их образ жизни. В то же время фактическое внедрение в нашу жизнь новых тех нологий зачастую сталкивается с целым рядом политических, экономических и социальных сдерживающих факторов. Настоящая работа как раз и посвя щена вопросам внедрения в практику новых технологий и анализу препятст вующих этому процессу факторов.

Новые прикладные технологические разработки все в большей степени становятся продуктом интеграции самых различных технологических дисци плин. Например, новые подходы к утилизации солнечной энергии включают в себя разработки новых пластических масс, биологических материалов и на ночастиц. Новейшие системы очистки используют наномасштабные мембра ны в сочетании с биологическими катализаторами. Подобные технологиче ские разработки смогут позволить решать самые масштабные проблемы, с которыми приходится сталкиваться различным государствам, включая во просы водообеспечения, пищевой безопасности, здравоохранения и эконо мического развития.

Хотя технологическая революция затронет практически все уголки земного шара, результаты ее по-разному будут сказываться в различных ре гионах. Далеко не все страны смогут применять у себя весь набор приклад ных технологических разработок, который будет в руках у человечества к 2020 году. Одним из основных условий возможности применения новейших разработок будет общий уровень научно-технического развития (НТР) каж дой конкретной страны. Страны смогут получать прикладные разработки ли бо путем проведения собственных научно-технических изысканий (НИОКР), либо в процессе передачи технологий, либо участвуя в международных ис следовательских проектах. В конце концов, некоторые страны смогут просто покупать готовые коммерческие системы за границей. В то же время значи тельное число стран в ближайшие 15 лет не будет обладать достаточно раз витой инфраструктурой, чтобы в полной мере использовать все плоды науч но-технического прогресса.

Следует сказать, что готовность к применению новых технологий от нюдь не означает автоматическую способность адаптировать их к своим ме стным условиям. Первым необходимым условием для применения новых технологий является ведение собственных разработок или покупка патентов.

Но успешное внедрение технологических инноваций также зависит от внут ренних движущих сил каждого государства и от препятствий, которые могут встать на пути такого внедрения. Такие движущие силы и барьеры в значи тельной степени определяются развитостью государственных институтов, людскими и физическими ресурсами страны, финансовыми возможностями, социальными, политическими и культурными особенностями. Все вышепе речисленные факторы в той или иной мере влияют на способность и готов ность нации разрабатывать и внедрять у себя новейшие технологии.

Исходя из вышесказанного видно, что различные страны могут доволь но сильно отличаться друг от друга в своей способности использовать новые технологии и решать встающие перед ними задачи. Совершенно очевидно, что различные технологические разработки потребуют для своего практиче ского применения различные уровни технологического и социального разви тия отдельных стран. Поэтому можно с уверенностью сказать, что в ближай шие 15 лет ряд стран не сможет развить даже минимального уровня, требуе мого для практического применения предлагаемых разработок, а уровень развития других стран позволит им в полной мере пользоваться плодами на учно-технического прогресса.

Эксперты выделяют 16 основных направлений, которые к 2020 году, по-видимому, будут наиболее коммерчески востребованы и окажут наи большее влияние на различные области человеческой деятельности (такие как: вопросы снабжения водой и продуктами питания, процедуры землеполь зования, государственное управление и социальную структуру, энергоснаб жение, здравоохранение, экономическое развитие, образование, вопросы на циональной обороны и разрешение конфликтов, охрану окружающей среды и снижение загрязнений).

Дешевая солнечная энергия: системы улавливания и утилизации солнеч ной энергии обещают быть достаточно дешевыми, чтобы их широко мог ли использовать развивающиеся и даже экономически неразвитые стра ны.

Системы беспроводной связи: Широкое распространение мобильной те лефонии и беспроводного интернета ожидается на смену существующей проводной инфраструктуре.

Коммуникационные устройства с широкими каналами информационного доступа: Коммуникационные и запоминающие устройства, как провод ные так и беспроводные, которые обеспечивают доступ к источникам информации в любое время и из любой точки пространства. Такие уст ройства, обеспечивающие прямой доступ к системам коммуникации и протоколам передач данных, будут способны сохранять не только тек стовую информацию, но гипертексты, изображения, звуки и музыку, ви деозаписи.

Генетически модифицированные (ГМ) сельскохозяйственные культуры:

генетически модифицированные продукты питания с улучшенной пище вой ценностью (путем введения витаминов и микроэлементов), получе ние более продуктивных сортов (например, адаптируя растения к мест ным условиям), уменьшение содержания пестицидов в пище (например, создавая сорта, устойчивые к вредителям).

Быстрые биологические анализы: экспресс-анализы, позволяющие быст ро и комплексно определять наличие или отсутствие различных биологи ческих агентов.

Фильтры и катализаторы: технологические процессы или устройства для эффективной фильтрации, очистки или обеззараживания воды, не требующие высокой квалификации от пользователя.

Адресная доставка лекарств: лекарственная терапия, основанная на из бирательном поражении опухолевых клеток или потенциальных болезне творных агентов, оказывающая минимальное воздействие на здоровые ткани.

Дешевые автономные жилища: полностью автономные и недорогие до ма, адаптированные к местным условиям, снабженные системами обог рева, охлаждения и кухонными приспособлениями.

Универсальные радиочастотные системы идентификации (РСИ) для коммерческих продуктов и личного пользования на основе микрочипов:

широкое распространение РСИ для идентификации продуктов потребле ния и определения своего местонахождения.

Повсеместное распространение сенсоров: размещение множества дат чиков во всех общественных местах и в создание систем сбора данных для постоянного мониторинга событий в реальном времени.

Тканевая инженерия: разработки живых тканей для нужд транспланта ции или замены пораженных органов.

Улучшенные диагностические и хирургические методики: технологии, позволяющие улучшить точность и надежность диагностики заболева ний, и эффективность хирургического лечения, в том числе снижение механических повреждений тканей и сокращение восстановительного периода.

Носимые микрокомпьютеры: компьютерные устройства, встраиваемые в одежду и другие переносные предметы, например, в сумочки, кошельки или бижутерию.

Квантовая криптография: квантово-механические методы шифровки и безопасной передачи информации.

К 2020 году выбранные нами прикладные направления технологических разработок будут сильно отличаться друг от друга по осуществимости с тех нической точки зрения и по возможностям реализации. В приводимой далее Таблице 6 приведена возможность вариаций всех 56 наиболее значимых при кладных направлений с точки зрения именно технической возможности их осуществления и вероятности конкретного применения к 2020 году. Возмож ность технической реализации определяется вероятностью того, что данная прикладная разработка будет доступна к указанному сроку. Конкретная реа лизация каждой разработки во многом зависит от решения целого ряда не технических вопросов, таких как барьеры на пути ее внедрения и востребо ванность ее применения, требования рынка, стоимость внедрения разработки, политическая и социальная инфраструктура общества, и действующее зако нодательство. В своей работе мы основывались на приблизительных качест венных оценках размеров рынка к 2020 году, а также на оценке того, вызовет ли внедрение данной разработки возникновение каких-либо социальных или политических вопросов. Числа в скобках отражают число различных соци альных секторов, на которые может оказать воздействие применение той или технологии, а обозначения (G) – (global: глобальное) и (M) – (moderated: уме ренное) обозначают возможную степень распространения данной технологии на земном шаре к 2020 году (по таким секторам как рынок, частный сектор, по странам и регионам).

Таблица 6. Технические возможности реализации и вероятность при менения наиболее показательных прикладных технологических направлений к 2020 году.

Возможность применения Средний и круп- Крупный ры Средний и крупный ный рынок и не нок и не вызо Только отдельные рынок, но вызовет ниши рынка вызовет серьез- вет серьезных серьезные проблемы (- – ) ных проблем проблем (–) (+) (++) Гибридный транспорт (2G) Адресная достав- Интернет (для Генотипирование (2G) ка лекарств (5М) сравнения) Весьма веро- ГМ сельхозпродукты Неограниченный (7G) ятно Сенсоры CBRN (2G) информационный (8М) Экспресс – (++) Повсеместные сенсоры доступ (6М) биоанализы (4G) Всеобщие систе- (4G) мы РСИ (4G) Беспроводные коммуникации (7G) Дешевая солнеч ная энергия (10М) Разработки инди видуальных ле карств (2М) Фильтры и ката- Улучшенная Импланты для иденти Возможность реализации ГМ лабораторные лизаторы (7М) диагностика и фикации и локализации Чистое производ- хирургия (2G) Возможно животные (2M) (3М) Нетрадиционный ство (6М) Квантовое (+) Ксеноимплантация транспорт (5М) Мониторинг и шифрование (1М) контроль заболе- (2G) ваний (2М) «Умные» систе мы (1М) Тканевая инжене рия (4М) Улучшенная ме- Электронные дицинская реаби- сделки (2G) Биометрика (3М) Сети сенсоров CBRN литация (3М) Автоматиче Коммерческие UAV (4М) Иммунотерапия ский компью (6М) (2М) терный интер Генная терапия (2G) Высокотехнологич- ГМ насекомые (5М) Улучшенное ле- фейс (2G) Неясно ный терроризм (3М) Медицинские роботы чение на основе Лекарства в (Н) Военные нанотехно- диагностики (2М) чипе (2G) (2М) логии (2G) Охранный видеомони- «Умные» ткани Стойкие ткани Боевые роботы (2G) торинг (3М) (4М) (2G) Носимые Безопасная пе Терапия стволовыми клетками (5М) микрокомпьюте- редача данных ры (5М) (2М) Препараты, усили- Дешевые авто Маловероят- вающие память (3М) Лекарства, привя- номные дома Имплантация микро но Роботы- занные к геноти- (6G) схем в мозг (4М) исследователи (1М) Печать книг на (-) пу (2М) Суперсолдаты (2М) заказ (2G) Очень мало- Proxy-bot (3M) Искусственные Генетический контроль Водородный вероятно Квантовые компью- мышцы и ткани потомства (2М) двигатель (2G) (- – ) теры (3М) (2М) Для каждой из технологий в скобках указано количество социальных секторов (всего 12: вода, пища, почвы, население, управление, социальная структура, энергия, экономическое развитие, образование, обороноспособ ность и разрешение конфликтов, окружающая среда, загрязнения) на которые она может оказать воздействие, а также степень возможной распространен ности технологии (G – глобальное, М – умеренное). Например, создание гиб ридного транспорта затрагивает 2 сектора и обещает глобальное распростра нение.

Глобальное распространение прикладных технологических разработок будет идти весьма неравномерно: далеко не каждое государство будет спо собно внедрять у себя, а иногда и даже принимать все доступные к 2020 году технологические инновации. Довольно сильно разнится и общий уровень на учно-технического развития отдельных стран. На способность использовать новые технологии оказывает влияет также и географическое положение раз личных стран. Различия могут быть обусловлены целым рядом факторов, та ких как размеры страны, природные условия (например, климат), расположе нием (выход к океанам и водные ресурсы). Численность населения и демо графическая ситуация (например, уровень рождаемости) могут сильно разли чаться даже у стран, входящих в один регион. Кроме того, страны отличают ся друг от друга по государственному устройству, господствующей экономи ческой системе и общему уровню экономического развития.

Для примера приведено 29 стран (см. Табл. 7). Выборка охватывает ос новные географические регионы и представленные в ней страны характерны большими различиями друг от друга. Мы разбили страны на репрезентатив ные группы и постарались не включать в них более одной страны со сходны ми характеристиками. Например, если в данном регионе расположено не сколько крупных государств, мы выбирали из них одно наиболее характер ное.

Таблица 7. Страны, выбранные для анализа, сгруппированные по раз личным регионам мира.

Центральная Северная и Южная Африка и Северная Азия Океания Европа Африка Америка, Ближний Америка Карибский Восток бассейн Китай Индия Грузия Камерун Бразилия Индонезия Египет Германия Чад Канада Чили Япония Иран Австралия Мексика Польша Кения Колумбия Южная Фиджи Израиль Россия Южная США Доминиканская Иордания Корея Турция Африка республика Непал Пакистан Семь из 29 стран в нашей выборке можно назвать научно-передовыми по статусу на 2020 год. В этих странах уровень научно-технического разви тия позволит им к 2020 году овладеть всеми 16 основным направлений при кладных разработок. Сюда входят США и Канада в Северной Америке, Гер мания в Западной Европе, Южная Корея и Япония в Азии. Из региона Океа нии в эту группу входит Австралия, из Ближнего Востока – Израиль.

Четыре из 29 стран можно назвать научно-развитыми странами. В этих странах уровень НТР позволит овладеть 12 из 16 основных направлений при кладных исследований. Из азиатского региона в эту группу входят Китай и Индия, из Восточной Европы – Польша и Россия.

Семь из 29 стран можно к 2020 году можно будет отнести к научно развивающимся станам. В этих странах будет возможно овладение 9 из направлений. В Южной Америке в эту группу входят Чили, Бразилия и Ко лумбия, в Северной Америке – Мексика, в Европе – Турция, в Азии – Индо незия, и ЮАР на Африканском континенте.

И наконец, 11 из 29 стран можно считать научно-отстающими госу дарствами. К 2020 году они смогут разработать у себя только 5 из 16 при кладных направлений исследования. Сюда относятся: Фиджи в Океании;

До миниканская Республика в Карибском бассейне;

Грузия в Европе;

Непал и Пакистан в Азии;

Египет, Иран и Иордания в регионе Ближнего Востока и Северной Африки;

Кения, Камерун и Чад в Африке.

Можно отметить некоторые тенденции, по которым будет происходить научно-техническое развитие стран к 2020 году. Большинство североамери канских и западноевропейских стран, Австралию, а также ряд экономически развитых стран Восточной Азии можно отнести к передовым в плане научно технического развития. Многие страны Азии и Восточной Европы будут на учно-развитыми. Страны Латинской Америки и ряд стран Юго-Восточной Азии останутся научно-развивающимися. И наконец, основная часть стран Африки, Ближнего Востока и Карибско-Тихоокеанского бассейна будут от ставать в научно-техническом развитии.

Уровень научно-технического развития, который позволяет странам получать прикладные разработки является только одним из множества фак торов, определяющих, может ли страна применит эти разработки на практи ке. На способность страны применить полученные разработки (а значит, и получить от них экономический эффект) в значительной мере оказывают влияние оказывают движущие механизмы внедрения и барьеры на пути к практическому применению. При оценке этих факторов очень важно опреде лить, кому будут выгодно применение инноваций, и сможет ли данная страна стабильно поддерживать практическое использование новых технологий.


Движущие механизмы и барьеры на пути инноваций могут группироваться в рамках одного и того же фактора: в ряде случаев один и тот фактор в зависи мости от его параметров может быть как движущим механизмом, так и пре пятствием для развития. Например, финансирование, если оно достаточно, является движущим механизмом, но дефицит финансов становится барьером на пути внедрения. Высокий уровень грамотности населения является дви жущим механизмом, а низкий уровень грамотности формирует барьер. Кро ме того, в ряде случаев может возникнуть ситуация, когда барьеры образуют ся внутри самого движущего фактора. Так например, общий уровень образо вания в США является несомненно движущим фактором, но проблемы в об ласти научного и математического образования могут стать потенциальным барьером. В Китае проблемы с окружающей средой могут тормозить разра ботки некоторых потенциально перспективных направлений, но стимулиро вать разработки в области экологически чистого производства и гибридных транспортных устройств.

Далее приводится список основных движущих сил и барьеров, с кото рыми страны могут столкнуться к 2020 году:

Стоимость и финансирование: стоимость разработок новых технологий, включая строительство зданий, создание физической инфраструктуры и подготовка человеческих ресурсов для внедрения и использования инно ваций;

доступные механизмы для получения требуемого финансирова ния;

размеры доступного финансирования.

Законы и политическое устройство: существующее законодательство и проводимая политика, которые могут, как стимулировать, так и замед лить, или вовсе запретить к применению конкретные технологические разработки.

Социальная значимость, общественное мнение и политика: религиозные верования, культурные особенности и социальная мораль могут повлиять на то, как новые технологии будут восприниматься обществом;

совмес тимость новых технологий с преобладающим общественным мнением;

политические и экономические разногласия в вопросах практического применения инноваций.

Инфраструктура: развитость физической инфраструктуры, поддержка ее эксплуатационных способностей на должном уровне и возможности для периодической модернизации.

Отношение к конфиденциальности частной жизни: социальная значи мость тайны частной жизни в данной стране;

готовность населения пре доставлять данные о своей частной жизни.

Использование ресурсов и охрана окружающей среды: наличие и доступ ность природных ресурсов;

опасность загрязнений и их влияния на здо ровье людей;

отношение общества и проводимая политика к охране ок ружающей среды и сохранению зон нетронутой природы.

Инвестирование НИОКР: финансирование таких направлений как: обра зования и подготовки ученых, инженеров и обслуживающего персонала;

создания исследовательских лабораторий, компьютерных сетей и других подобных учреждений;

проведения научных исследований;

проведения работ по трансформации технологий в практические коммерческие раз работки и выходу их на рынок.

Образование и грамотность: наличие адекватного уровня грамотности и общего образования населения, чтобы оно смогло принять новые техно логические инновации;

наличие и уровень доступности высшего образо вания, систем переподготовки для ученых.

Население и демография: общий размер, возрастной состав и скорость прироста населения данной страны;

соотношение численности различ ных групп от общего числа проживающих в стране.

Правовая и политическая стабильность: уровень эффективности дея тельности правительства или степень его коррумпированности;

влияние руководства страны на деловую активность граждан и экономическую эффективность;

внутренний уровень стабильности и наличие потенци альных внешних угроз: общее число и характер угроз для безопасности страны.

Из семи наиболее развитых стран, способных развивать у себя все технологических направлений, только США и Канада в Северной Америке и Германия в Европе будут в полном объеме способны найти им практические применения к 2020 году. В значительной мере смогут пользоваться плодами разработок по всем 16 направлениям такие страны, как Япония и Южная Ко рея в Азии, Австралия в Океании, и Израиль в регионе Ближнего Востока.

Все эти станы характеризуются высоким уровнем научно-технического раз вития, обладают достаточно мощными движущими факторами и малым чис лом барьеров.

Несколько отстает от предыдущей группы Китай. Эта страна относится к группе технологически развитых государств и способна вести разработки о 12 из 16 основных направлений, но в ней существует гораздо больше барье ров на пути их практического применения. Индия, Польша и Россия, другие три развитых в научно-технологическом плане страны, обладают несколько меньшими, чем Китай, возможностями их практического применения. В этих странах, несмотря на высокий уровень развития науки, барьеры на пути практического применения разработок в целом превышают движущие фак торы внедрения, что затрудняет получение полного спектра практических разработок.

Группа технологически развивающихся стран, по-видимому, сможет применять у себя 9 из 16 основных направлений, в основном в лабораторных исследованиях, в качестве демонстрационных образцов или в ряде ограни ченных областей. К этой группе относятся: Камерун, Чад и Кения в Африке;

Доминиканская Республика в Карибском бассейне;

Грузия в Европе;

Фиджи в Океании;

Египет, Иран и Иордания на Ближнем Востоке;

и Непал с Паки станом в Азии. Обладая сравнительно невысоким уровнем научно технического развития и слабыми движущими силами, эти страны также столкнутся с довольно серьезными барьерами на пути практического приме нения новейших разработок. В этих странах к 2020 году скорее всего будет возможно лишь ограниченное применение некоторых простейших техноло гических разработок.

Следует отметить, что ни в одной из рассматриваемых здесь стран, не зависимо от их уровня развития, не наблюдается одновременно низкий уро вень как барьеров, так и движущих факторов. Это говорит о том, что к году страны не смогут уменьшить число барьеров без надлежащего развития научных ресурсов и движущих факторов к практическому применению на учных разработок.

Анализируя представленную выборку стран по их способности приме нять у себя технологические инновации, можно выделит следующие тенден ции:

Явное технологическое превосходство научно-технически развитых стран в Северной Америке, Западной Европе и в Азии Становление новых технологических лидеров, таких как Китай и Индия, а также возможное появление в скором времени таких стран в Восточной Европе (пример – Польша) Относительное отставание научно-технического потенциала России Значительный разброс уровней технологического развития стран Юго Восточной Азии и Латинской Америки Большой разрыв между даже относительно развитыми странами Латин ской Америки (а также Турции и Южно-Африканской республики) и вновь зарождающимися технологическими лидерами Китаем и Индией Огромное отставание научного и технологического потенциала техноло гически слаборазвитых стран Африки, Ближнего Востока и Океании от технологически развитых стран Северной Америки, Западной Европы и Азии Для сокращения громадного отставания слаборазвитых стран, им прежде всего необходимо существенно поднять уровень своего научно технического развития Комплексная способность стран практически применять новые техно логии, которые они в состоянии разрабатывать, является неплохим прогно стическим индикатором того, как эти технологии могут изменить мир к году. Этот индикатор позволяет проводить сравнительный анализ того, какие страны наиболее вероятно станут генераторами технологических идей и но вовведений, какие только продвинутся по этому пути, а в каких странах мно гочисленные препятствия не позволят пользоваться плодами технических инноваций в ближайшие 15 лет. Кроме того, данный индикатор в некоторой степени является показателем течения научно-технического прогресса.

В то же время, возможность для страны применять на практике новые технологические разработки не означает, что страна автоматически собира ется это делать. Различие стоящих перед странами проблем и разнообразие собственных путей развития будут определять и различные национальные приоритеты вплоть до 2020 года. Так как технологические новинки предна значены для решения вполне определенных задач, они смогут помочь решать и вполне определенные проблемы. Таким образом, далеко не все из 16 ос новных направлений технологического развития будут в равной мере востре бованы разными странами. Любая страна всегда будет озабочена в основном развитием тех направлений, которые помогут решать свои первоочередные задачи.

16 основных направлений, которые мы выбрали для анализа в настоя щей работе, могут помочь в решении основных проблем, которые могут встать перед большинством наций и народов. Теоретически, наиболее важ ными задачами, решение которых в течение ближайших 15 лет представля ются наиболее важными приоритетами для любой страны, являются сле дующие:

Улучшение методов ведения сельского хозяйства Поддержка экономического роста и международной торговли Улучшение системы здравоохранения Улучшение уровня личного здоровья людей Снижение ресурсоемкости производства и улучшение экологической об становки Разработки новых систем вооружений и военной техники Обеспечение безопасности государства и личной безопасности граждан На практике же каждая страна дает этим задачам различную степень приоритетности, исходя из собственного экономического и политического развития, внутренней политики, и в зависимости от преобладающего обще ственного мнения внутри самой страны. Ряд стран даже теоретически не сможет ставить перед собой решение некоторых из обозначенных выше про блем до тех пор, пока предварительно не будут обеспечены другие, более фундаментальные условия. Так обеспечение эффективного уровня развития сельского хозяйства является первым шагом на пути к интеграции в между народную торговлю.


Обычно уровень научно-технического развития страны напрямую свя зывают с индикаторами экономического и социального развития. В боль шинстве случаев страны с низким уровнем научно-технического развития обнаруживают и низкие показатели в других двух областях, а страны с высо коразвитой наукой характеризуются и развитой экономикой и высоким соци альным уровнем. Соответственно, группы стран с различным уровнем науч но-технического развития часто решают сходные проблемы, и, как следствие, имеют сходные приоритеты. Так развитие сельского хозяйства, улучшение уровня здравоохранения, ресурсосберегающие технологии и сохранность ок ружающей среды – все эти базовые задачи обычно являются наивысшими приоритетами для стран, находящихся на нижних ступеньках экономическо го развития. Более развитые страны также могут рассматривать в своих пла нах эти же задачи, но по другим причинам и не придавать им такого перво очередного значения. Например, страны только развивающиеся в научно техническом смысле, скорее всего будут стараться применять новые техно логии, направленные на улучшение использования природных ресурсов и борьбу с загрязнениями, в основном с целью получения максимальной эко номической прибыли, им лишь во вторую очередь с целью охраны окру жающей среды. Пока экономическое развитие и уровень жизни населения та ких стран остаются низкими, они не могут позволять себе проводить долго срочные программы по охране окружающей среды. В то же время в экономи чески развитых странах общественное мнение, направленное на сохранение здоровой экологической обстановки, может потребовать от своих прави тельств внедрения новых технологий, направленных на ресурсосбережение и охрану среды обитания.

Экономический рост и международная торговля являются движущими факторами продвижения различных наций вверх по лестнице развития. Для успешного продвижения по пути развития для каждой страны весьма важно решать такие задачи, как создание развитой инфраструктуры, обеспечение высокого уровня образованности населения, и вхождения в мировой рынок.

Для научно-развитых, а может быть даже и в большей степени для научно развивающихся стран, задача поддержки устойчивого экономического разви тия является одним из высших приоритетов. Для научно-передовых стран та кая задача может также стоять в ряду приоритетных, но по несколько другим причинам. Расстановка сил на мировом рынке постоянно меняется, он вы двигает к своим участникам все новые требования, особенно с появлением на рынке новых набирающих силу государств. Поэтому, даже наиболее разви тые страны должны постоянно двигаться вперед в своем развитии, чтобы со хранить свое влияние на рынке и свой уровень благосостояния. Развитым странам необходимо постоянно поддерживать свое превосходство в системе мировой торговли и повышать уровень жизни населения.

Приоритеты в военной сфере и в развитии вооруженных сил каждой конкретной страны совсем не обязательно находятся в прямой зависимости от уровня ее экономического и технического развития. Целый ряд стран с низким жизненным уровнем населения при определенных условиях тратят львиную долю своего бюджета на военные нужды. Это также касается во просов национальной безопасности. Хотя в большинстве случаев нации, на ходящиеся на низших ступеньках развития, не выделяют эти два направления в область своих приоритетов. Для таких стран более важны другие направле ния развития: возможности экономического роста, вопросы здравоохранения, обеспечения населения продуктами питания и создания системы образова ния. В то же время научно-развитые и научно-передовые страны с их более обширными бюджетами могут выдвигать указанные направления в качестве приоритетных целей своего развития.

Улучшение уровня личного здоровья людей может быть лишь вторич ной целью для целого ряда стран. Страна может выдвигать это направление в качестве приоритетного, только если в ней уже построена эффективная сис тема здравоохранения и поддерживаются высокие стандарты жизни. По этой причине данное направление могут выдвигать в качестве приоритета только технологически передовые страны. Для стран с более низким уровнем разви тия более насущными являются разработки направленные на снижение уров ня детской смертности и общего увеличения продолжительности жизни на селения (два основных показателя уровня развитости системы здравоохране ния).

Так как проблемы, стоящие перед странами с различным уровнем на учно-технического развития, могут существенно отличаться друг от друга, довольно сильно могут и различаться конкретные спектры приоритетных прикладных технологических разработок. Но когда страна уже определила для себя приоритетные цели развития до 2020 года, встает вопрос, как реаль но она сможет использовать у себя полученные технологии? Мы рассмотрим в нашей работе отсталые, развивающиеся, развитые и передовые страны в плане научно-технического развития, и попытаемся найти ответ на этот во прос отдельно для каждой категории стран из нашей выборки.

Страны, которые отстают в научно-техническом отношении, находятся обычно на самом дне пирамиды экономического развития. В списке нацио нальных приоритетов таких стран первые места занимают задачи развития сельского хозяйства, улучшения системы здравоохранения и более эконом ное использование ресурсов. Довольно часто население таких стран недоста точно обеспечено чистой водой и проживает в довольно низких санитарных условиях. Крайняя бедность населения в сельской местности способствует массовой миграции в города, где наблюдается значительная скученность проживания. В таких странах нередки и частые вспышки заболеваний. В та ких странах наблюдается недостаток самых необходимых ресурсов, таких как чистая питьевая вода и плодородные земли для ведения сельского хозяй ства. Во многих таких станах повсеместное использование печного отопле ния на дровах приводит к загрязнению воздуха внутри жилых помещений, что в масштабах нации представляет собой угрозу для здоровья людей, осо бенно для матерей и подрастающего поколения. Для таких стран очень важно получение экологически чистых и недорогих источников энергии. Быстрый рост населения таких стран, низкий общий уровень образования и колоссаль ное экономическое неравенство внутри страны ставят перед ними задачи экономического развития и вхождения в мировой рынок. Развитие нацио нальных экономик позволит таким странам создавать новые рабочие места и улучшать жизненные стандарты населения. Но так как только немногие из этой группы стран способны принимать участие в мировой экономике, низ кий уровень научно-технического развития и многочисленные барьеры на пути развития технологий зачастую являются непреодолимыми препятст виями на пути решения базовых проблем развития.

Данная группа стран может потенциально вести практические разра ботки по пяти основным направлениям, а именно: дешевая солнечная энер гетика, беспроводные коммуникации, генетически-модифицированные (ГМ) сельскохозяйственные культуры, фильтры и катализаторы, и автономные жилища. Практические разработки в указанных областях могут помочь этим странам в освоении аграрных областей и в повышении общего уровня здоро вья населения. Дешевая солнечная энергия может использоваться в насосах для прокачки воды и создания систем ирригации засушливых районов. Эта энергия также может использоваться для фильтрации и очистки воды, и для нужд хранения медикаментов. Повышение обеспеченности чистой водой, продуктами питания и медикаментами положительно скажется на общем уровне здоровья населения. Использование солнечной энергии для освеще ния и обогрева домов позволит сельскому населению строить коттеджные поселки (прогресс в строительной индустрии) и лучше обучать своих детей (электропитание для компьютеров), что в свою очередь оживит сельский сек тор экономики. Беспроводные коммуникации могут обеспечить распростра нение экономического развития в самые отдаленные уголки, стимулируя как коммерцию, так и получение дистанционного образования. Улучшенный доступ к медицинским базам данных также будет способствовать повыше нию эффективности национального здравоохранения. Генетически модифи цированные сельскохозяйственные культуры позволят получать больше про дуктов питания с повышенной пищевой ценностью, что особенно важно для стран, характеризующихся голодом среди населения и повышенной детской смертностью. Новые фильтры и катализаторы могут позволить создавать ав тономные установки, позволяющие населению на местах использовать ранее считавшиеся непригодными источники водоснабжения. Дешевое жилье обеспечит сельское население крышей над головой и снабдит минимально необходимыми источниками энергии.

Кроме того, все перечисленные выше направления позволят этим стра нам потреблять меньшее количество ресурсов и существенно улучшить свою экологию. Та же солнечная энергетика не требует сжигания ископаемого то плива, а значит, позволяет существенно снизить выбросы вредных веществ в атмосферу. Кроме того, солнечная энергия в сочетании с дешевыми домами могут позволить отказаться от домашних печей на дровах или угле, чем сни мет вопросы загрязнения воздуха внутри помещений. Отказ от дровяного отопления позволит сохранять большие площади под леса, что будет замед лять эрозию почв, улучшит качество грунтовых вод и снизит смыв осадочно го материала в реки. Налаживание беспроводной связи в сельской местности позволит правительству и местным органам власти лучше вести мониторинг ресурсов, следить за экологией и возможными загрязнениями. Генетически модифицированные культуры позволят сберечь природные ресурсы, исполь зующиеся в пищевой промышленности, и значительно снизить или убрать вовсе источники загрязнений. Фильтры и катализаторы позволят сохранять воду и снижать выбросы отходов.

Из всех технологических направлений, которые могли бы помочь на учно-отсталым странам развивать свою экономику, они, к сожалению, могут использовать только два: дешевую солнечную энергию и развитие беспро водных коммуникаций в сельской местности. Выгода от использования этих направлений в основном состоит в построении более продуктивного сельско го хозяйства, которое, будучи встроенным в национальную экономику, по зволит поддерживать ее международную конкурентоспособность.

Широкое внедрение указанных технологических инноваций могло бы существенно повысит уровень жизни большинства населения этих стран, ко торое сейчас проживает в условиях крайней бедности. Однако на практике страны, определяемые как научно-отсталые, смогут с трудом использовать у себя хотя бы одно из указанных выше пяти направлений. Дело в том, что движущие силы внедрения технологических инноваций в этих странах слиш ком слабы, а барьеры на пути их внедрения слишком велики. Среди препят ствий на пути практического применения передовых технологий следует от метить отсутствие достаточного финансирования, неразвитость государст венных институтов, физических и людских ресурсов, нестабильность власти.

Нации, принадлежащие к группе научно-развивающихся стран, обычно решают почти те же проблемы, что и группа научно-отсталых стран. Так, на пример, в большинстве из этих стран основная масса населения проживает в сельской местности, множество людей живет около или ниже черты бедно сти. За исключением столиц, инфраструктуры таких государств обычно крайне слабо развиты. В провинциях отсутствует стабильная подача дешевой энергии, нормальное водоснабжение, базовые структуры здравоохранения и образования, плохо развита дорожная сеть. В результате этого городское на селение таких стран быстро растет за счет притока выходцев из деревни, ищущих новые рабочие места и средства к существованию. Исходя из этого, одними из высших приоритетов для таких стран становятся поддержка раз вития сельского хозяйства, повышения уровня благосостояния на селе, сгла живание растущего уровня недовольства, и снижения миграционных потов из села в город.

Еще одной приоритетной задачей для таких стран часто бывает задача повышения уровня здравоохранения. Так как значительная часть населения этих стран не имеет доступа к чистой воде и живет в неудовлетворительных санитарных условиях, часто случаются вспышки переносимых водой заболе ваний. Широкие массы сельского населения не имеют полноценной меди цинской помощи, а в странах, где с ростом городов растут и миграционные потоки, как в пределах страны, так и за рубеж, значительно повышается и ве роятность эпидемий. Перед Южной Африкой, например, во всей полноте встает проблема распространения СПИДа. Еще одной первоочередной про блемой являются ресурсы. Во многих странах с рассматриваемым уровнем научно-технического развития рост экономической деятельности приводит ко все большему истощению и так весьма скудных местных ресурсов и росту загрязненности окружающей среды. Одновременно стоимость энергии по стоянно растет. Поэтому для таких стран становится практическим импера тивом необходимость поиска более эффективных способов использования ресурсов, повышения уровня здравоохранения и сохранности окружающей среды.

Многие страны из рассматриваемой группы выдвигают в число пере довых национальных задач вопросы экономического развития и междуна родной коммерции гораздо чаще, чем научно-отстающие страны (хотя и ре же, чем научно-развитые и научно-передовые страны). Большинству этих стран жизненно необходимо решить вопросы миграции в города, создания новых рабочих мест и расширения своего среднего класса. Для стран, кото рые пытаются активно экспортировать свои продукты на мировой рынок (на пример, Чили и Мексика) с особой остротой стоит вопрос повышения эконо мической конкурентоспособности. В этом плане особняком стоит Колумбия:

ее экономика гораздо в меньшей степени привязана к международной тор говле, чем у остальных стран рассматриваемой группы. Высокая политиче ская нестабильность некоторых стран данной группы заставляет их уделять много внимания вопросам внутренней и общественной безопасности. Так в Колумбии и Индонезии высока опасность политического переворота и угро зы со стороны вооруженных инсургентов.

Дешевая солнечная энергия, беспроводные коммуникации в сельской местности, генетически модифицированные сельскохозяйственные сорта, фильтры и катализаторы, и автономные жилища – все это может помочь на учно-развивающимся странам ускорить экономическое развитие сельскохо зяйственных областей, причем исходя из тех же соображений, которые дей ствуют в научно-отсталых странах. Эти пять направлений развития, плюс еще два: разработки экспресс-методов получения биопроб и экологически чистого производства – могут позволить таким странам существенно поднять уровень здоровья нации. Использование биологических экспресс-анализов позволит проводить оперативный мониторинг заболеваний и предотвращать возникновение эпидемий. Эти методы также позволят более корректно на значать лечение, уменьшая сопротивляемость возбудителей к антибиотикам и другим лекарственным препаратам. Снижения уровня выбросов промыш ленных загрязнений также будет способствовать оздоровлению населения.

Дешевая солнечная энергия, беспроводные коммуникации в сельской местности, генетически модифицированные сельскохозяйственные сорта, фильтры и катализаторы, и гибридные транспортные устройства позволят странам этой группы снизить уровень потребления ресурсов и улучшить ок ружающую среду. И в этом случае страны этой группы получают выгоду по тем же причинам, что и научно-отсталые государства. Кроме того, экологи чески чистое производство позволит уменьшить выброс отходов, что позво лит более эффективно использовать водные, энергетические и земельные ре сурсы;

снизит нагрузку загрязнений на окружающую среду;

позволит прави тельствам тратить меньше средств на очистку районов загрязнений. Гибрид ные транспортные средства будут способствовать большей чистоте воздуха, особенно в сильно загазованных городских районах: в этих странах контроль за токсичностью автомобильных выхлопов еще не поставлен на должную высоту. Эта проблема частично вытекает из проблемы миграции населения в большие города. Принимая вышеуказанные меры, рассматриваемые страны могут превратить свои города в области экономического развития с относи тельно здоровой окружающей средой.

Как и в научно-отсталых странах дешевая солнечная энергия и налажи вание беспроводных коммуникаций в сельской местности могут позволить научно-развивающимся странам в ускорении экономического роста и разви тии международной торговли. Страны с данным уровнем развития также мо гут позволить себе разработки экспресс-биоанализов и повсеместное внедре ние микрочипов для маркировки товаров. Экспресс-биопробы обеспечат бо лее безопасную миграцию через границы с целью развития бизнеса, так как они позволят эффективно отслеживать переносчиков инфекционных заболе ваний. Микрочиповая маркировка товаров будет способствовать развитию розничной торговли, позволяя отслеживать цепочки продаж, что сделает ры нок более эффективным.

Неоценимую помощь любой стране из этой группы, которая захочет повышать свою внутреннюю и общественную безопасность, могут оказать такие направления технологий, как беспроводные коммуникации, экспресс анализы, фильтры и катализаторы, и дешевые автономные жилища. Беспро водные коммуникации, особенно в сельской местности, позволят более опе ративно реагировать на акты терроризма, происки внутренних инсургентов и природные катаклизмы. Экспресс-биопробы могут помочь в точном опреде лении типов инфекционных заболеваний и позволить оперативно принимать ответные меры. Фильтры и катализаторы обеспечат население достаточным количеством чистой питьевой воды. Дешевые жилища обеспечат крышей над головой сменных рабочих в отдаленных районах и позволят практически све сти на нет проблемы бездомности.

К 2020 году научно-развивающиеся страны будут демонстрировать до вольно большой разброс в своих способностях применять передовые техно логии на практике. Наиболее развитыми странами в этой группе будут Бра зилия, Чили, Мексика и Турция: уровень прикладных применений у этих стран будет относительно высок (иногда даже на уровне России, которая от носится к научно-развитым странам). Но в сравнении с основной массой на учно-развитых, а тем более научно-передовых стран, способность разворачи вать прикладные разработки у этих стран все же будет довольно низка. Еще более будет отставать от перечисленных выше стран Южная Африка, а Ко лумбия и Индонезия вообще ненамного опередят научно-отсталые страны. В целом страны рассматриваемой групп в основном смогут применять у себя технологии, направленные на развитие сельского хозяйства и более эконом ное использование ресурсов. В меньшей степени найдут свое применение технологии, обеспечивающие развитие здравоохранения. Наибольшие пре пятствия на пути практического внедрения новых технологий будут у Южно Африканской Республики, Колумбии и Индонезии. В рамках устойчивого экономического все эти страны встретят значительные трудности на пути применения новых технологий, в то время как их способности решать встающие на этом пути проблемы останутся крайне низкими. Конечно, рас сматриваемые страны могут попытаться развивать положительные тенден ции своего экономического развития, но без расширения надежной инфра структуры за пределы столичных мегаполисов им будет крайне сложно ши роко внедрять передовые научные разработки. И наконец, хотя эти страны нуждаются в значительном укреплении своей внутренней безопасности, они в то же время обладают довольно ограниченными возможностями для вне дрения технологических инноваций в этой области.



Pages:     | 1 |   ...   | 4 | 5 || 7 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.