Artist's concept van een bio-nanorobot. Afbeelding tegoed: NASA. Klik om te vergroten
Als het gaat om het nemen van de volgende 'grote sprong' in de ruimteverkenning, denkt NASA klein - echt klein.
In laboratoria in het hele land ondersteunt NASA de ontluikende wetenschap van nanotechnologie. Het basisidee is om te leren omgaan met materie op atomaire schaal - om individuele atomen en moleculen goed genoeg te kunnen besturen om machines met molecuulgrootte, geavanceerde elektronica en "slimme" materialen te ontwerpen.
Als visionairs gelijk hebben, kan nanotechnologie leiden tot robots die je aan je vingertop kunt vasthouden, zelfherstellende ruimtepakken, ruimteliften en andere fantastische apparaten. Sommige van deze dingen hebben meer dan 20 jaar nodig om zich volledig te ontwikkelen; anderen krijgen vandaag vorm in het laboratorium.
Dingen kleiner maken heeft zo zijn voordelen. Stel je bijvoorbeeld voor dat de Marsrovers Spirit en Opportunity zo klein als een kever hadden kunnen worden gemaakt en als een kever over rotsen en grind zouden kunnen rennen, mineralen kunnen bemonsteren en op zoek kunnen gaan naar aanwijzingen voor de geschiedenis van water op Mars. Honderden of duizenden van deze verkleinende robots zouden in dezelfde capsules kunnen worden gestuurd die de twee rovers van bureauformaat droegen, waardoor wetenschappers veel meer van het oppervlak van de planeet konden verkennen - en de kans op struikelen over een gefossiliseerde Mars-bacterie vergroot!
Maar nanotechnologie gaat over meer dan alleen het verkleinen van dingen. Wanneer wetenschappers materie op moleculair niveau doelgericht kunnen ordenen en structureren, ontstaan soms verbazingwekkende nieuwe eigenschappen.
Een mooi voorbeeld is die lieveling van de nanotechwereld, de koolstof nanobuis. Koolstof komt van nature voor als grafiet - het zachte, zwarte materiaal dat vaak wordt gebruikt in potloodstiften - en als diamant. Het enige verschil tussen de twee is de rangschikking van de koolstofatomen. Wanneer wetenschappers dezelfde koolstofatomen in een "kippengaas" -patroon rangschikken en ze oprollen in minuscule buisjes van slechts 10 atomen, krijgen de resulterende "nanobuisjes" een aantal nogal buitengewone eigenschappen. Nanobuizen:
- hebben 100 keer de treksterkte van staal, maar slechts 1/6 van het gewicht;
- zijn 40 keer sterker dan grafietvezels;
- elektriciteit beter geleiden dan koper;
- kunnen geleiders of halfgeleiders zijn (zoals computerchips), afhankelijk van de rangschikking van atomen;
- en zijn uitstekende warmtegeleiders.
Veel van het huidige nanotechnologieonderzoek wereldwijd richt zich op deze nanobuizen. Wetenschappers hebben voorgesteld om ze te gebruiken voor een breed scala aan toepassingen: in de zeer sterke, lichtgewicht kabel die nodig is voor een ruimtelift; als moleculaire draden voor elektronica op nanoschaal; ingebed in microprocessors om warmte af te voeren; en als kleine staafjes en tandwielen in machines op nanoschaal, om er maar een paar te noemen.
Nanobuizen spelen een prominente rol in onderzoek dat wordt uitgevoerd in het NASA Ames Center for Nanotechnology (CNT). Het centrum is opgericht in 1997 en heeft nu ongeveer 50 voltijdse onderzoekers in dienst.
"[We] proberen ons te concentreren op technologieën die binnen een paar jaar tot een decennium bruikbare producten kunnen opleveren", zegt CNT-directeur Meyya Meyyappan. "We kijken bijvoorbeeld hoe nanomaterialen kunnen worden gebruikt voor geavanceerde levensondersteuning, DNA-sequencers, ultrakrachtige computers en kleine sensoren voor chemicaliën of zelfs sensoren voor kanker."
Een chemische sensor die ze hebben ontwikkeld met behulp van nanobuizen, is gepland om volgend jaar een demonstratiemissie de ruimte in te vliegen aan boord van een marinieraket. Deze kleine sensor kan slechts een paar delen per miljard specifieke chemicaliën, zoals giftige gassen, detecteren, waardoor hij nuttig is voor zowel ruimteverkenning als binnenlandse verdediging. CNT heeft ook een manier ontwikkeld om nanobuisjes te gebruiken om de microprocessors in personal computers te koelen, een grote uitdaging omdat CPU's steeds krachtiger worden. Deze koeltechnologie is in licentie gegeven aan een Santa Clara, Californië, start-up genaamd Nanoconduction, en Intel heeft zelfs interesse getoond, zegt Meyyappan.
Als dit gebruik op korte termijn van nanotechnologie indrukwekkend lijkt, zijn de mogelijkheden op lange termijn echt verbijsterend.
Het NASA Institute for Advanced Concepts (NIAC), een onafhankelijke, door NASA gefinancierde organisatie in Atlanta, Georgia, is opgericht om toekomstgericht onderzoek naar radicale ruimtetechnologieën te bevorderen, dat 10 tot 40 jaar zal duren.
Zo financierde een recente NIAC-subsidie een haalbaarheidsstudie naar de fabricage op nanoschaal - met andere woorden, met enorme aantallen microscopische moleculaire machines om elk gewenst object te produceren door het atoom voor atoom te assembleren!
Die NIAC-subsidie werd toegekend aan Chris Phoenix van het Center for Responsible Nanotechnology.
In zijn 112 pagina's tellende rapport legt Phoenix uit dat een dergelijke "nanofabriek" bijvoorbeeld met atoomprecisie onderdelen van ruimtevaartuigen zou kunnen produceren, wat betekent dat elk atoom in het object precies daar wordt geplaatst waar het hoort. Het resulterende onderdeel zou extreem sterk zijn en de vorm zou binnen een enkele atoombreedte van het ideale ontwerp kunnen liggen. Ultra gladde oppervlakken hoeven niet gepolijst of gesmeerd te worden en zullen in de loop van de tijd nagenoeg geen "slijtage" vertonen. Dergelijke hoge precisie en betrouwbaarheid van onderdelen van ruimtevaartuigen zijn van het grootste belang wanneer het leven van astronauten op het spel staat.
Hoewel Phoenix in zijn rapport enkele ontwerpideeën voor een desktop nanofabriek heeft geschetst, erkent hij dat - afgezien van een groot budget "Nanhatten Project", zoals hij het noemt - een werkende nanofabriek minstens tien jaar verwijderd is, en mogelijk veel langer.
Constantinos Mavroidis, directeur van het Computational Bionanorobotics Laboratory van de Northeastern University in Boston, neemt de biologie over en onderzoekt een alternatieve benadering van nanotechnologie:
In plaats van helemaal opnieuw te beginnen, gebruiken de concepten in de door Navac gefinancierde studie van Mavroidis reeds bestaande, functionele moleculaire 'machines' die in alle levende cellen te vinden zijn: DNA-moleculen, eiwitten, enzymen, enz.
Gevormd door evolutie gedurende miljoenen jaren, zijn deze biologische moleculen al zeer bedreven in het manipuleren van materie op moleculaire schaal - daarom kan een plant lucht, water en vuil combineren en een sappige rode aardbei produceren, en het lichaam van een persoon kan als laatste converteren 's avonds aardappeldiner in de nieuwe rode bloedcellen van vandaag. De herschikking van atomen die deze prestaties mogelijk maken, wordt uitgevoerd door honderden gespecialiseerde enzymen en eiwitten, en DNA slaat de code op om ze te maken.
Gebruik maken van deze "pre-made" moleculaire machines - of ze gebruiken als startpunt voor nieuwe ontwerpen - is een populaire benadering van nanotechnologie genaamd "bio-nanotech".
'Waarom het wiel opnieuw uitvinden?' Mavroidis zegt. "De natuur heeft ons al deze geweldige, zeer verfijnde nanotechnologie in levende wezens gegeven, dus waarom zou je die niet gebruiken - en proberen er iets van te leren?"
De specifieke toepassingen van bio-nanotech die Mavroidis in zijn onderzoek voorstelt, zijn erg futuristisch. Een idee is het draperen van een soort 'spinnenweb' van haardunne buizen vol bio-nanotech-sensoren over tientallen kilometers terrein, als een manier om de omgeving van een buitenaardse planeet tot in detail in kaart te brengen. Een ander concept dat hij voorstelt, is een 'tweede huid' voor astronauten om onder hun ruimtepak te dragen dat bio-nanotechnologie zou gebruiken om straling die het pak binnendringt te detecteren en erop te reageren, en om eventuele snijwonden of lekke banden snel af te dichten.
Futuristisch? Zeker. Mogelijk? Kan zijn. Mavroidis geeft toe dat dergelijke technologieën waarschijnlijk tientallen jaren verwijderd zijn en dat de technologie tot dusver in de toekomst waarschijnlijk heel anders zal zijn dan we ons nu voorstellen. Toch zegt hij dat hij het belangrijk vindt om nu te gaan nadenken over wat nanotechnologie jaren later mogelijk zou kunnen maken.
Aangezien het leven zelf in zekere zin het ultieme voorbeeld van nanotechnologie is, zijn de mogelijkheden inderdaad opwindend.
Oorspronkelijke bron: NASA News Release
