5 выдающихся инженерных инноваций 2025 года
Победитель Гран-при в номинации «Инженерное дело»
Superwood от InventWood: прочнее стали и в 6 раз легче, без необходимости доменной печи
Сталь ответственна примерно за 8 процентов выбросов парниковых газов, но настолько надёжна, что строители не хотят от неё отказываться.
Исследователь Лянбин Ху нашёл новый подход к этой проблеме благодаря счастливой случайности. Будучи молодым учёным в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе, а затем в Стэнфорде, Ху пытался выяснить, как собирать батареи из углеродных нанотрубок, но обнаружил, что создание на наноуровне — это сложно и дорого. У него случился момент озарения, когда он посмотрел на древесные волокна, осознав, что нанофибры внутри древесных клеток примерно в 100 раз прочнее обычной древесины. А с точки зрения масштабирования и улавливания углерода? Просто вырастить дерево.
Ху разработал химическую ванну для удаления лигнина, который скрепляет целлюлозу в древесине. Нагрев полученных волокон, он смог сжать древесину примерно на 80 процентов от её первоначальной толщины, используя свои знания о наноуровне. Он разрушил внутреннюю структуру таким образом, что устранил слабые места и укрепил связи. (Можно представить себе это как избавление от всего пространства внутри древесного волокна.) Его процесс также затемняет древесину и делает материал прочнее стали, не говоря уже о том, что он в шесть раз легче. В результате получается Superwood.
Эксперты сомневаются, что строительная индустрия, известная своим консерватизмом, примет такую радикальную замену стали, и не без причины. Если вы строите небоскрёб стоимостью 2 миллиарда долларов, захотите ли вы сказать своему кредитору, что рискуете, используя обработанную древесину без многолетнего опыта безопасного использования?
Но Алекс Лау, генеральный директор InventWood, компании, лицензировавшей открытие Ху, говорит, что, как только компания расширится, он намерен продавать Superwood по цене вдвое ниже цены стали. Но пока он завоюет сердца и умы в строительной отрасли, сначала нацелившись на рынки, дружественные к древесине, для изготовления настилов и кровельных материалов, прежде чем перейти к конструкционным элементам и зданиям, оптимизированным для Superwood. А ещё есть экологические преимущества. Superwood можно изготовить из самых разных пород деревьев — можно даже сделать материал из примерно 10–20 процентов лесных продуктов, которые выбрасываются как неправильные виды, или из 40 процентов древесины лесопильных заводов, которая считается непремиальной и в противном случае была бы измельчена или сожжена.
Песчаная батарея от Polar Night Energy: промышленная тепловая батарея из песка, чтобы избежать пожаров и загрязнения при добыче полезных ископаемых
Промышленно масштабные батареи — один из способов обеспечить бесперебойную работу возобновляемых источников энергии, когда перестаёт дуть ветер или садиться солнце. Но производство батарей из лития, кобальта или железа имеет значительный углеродный след и может привести к загрязнению металлами и водой.
Финская компания Polar Night Energy решает проблему прерывистости, перерабатывая измельчённый мыльный камень, побочный продукт местного производства каминов, для создания крупнейшей в мире песчаной батареи. Вместо хранения электричества эта тепловая батарея хранит тепло в изолированном стальном цилиндре размером примерно 43 на 49 футов. Система использует избыточную электроэнергию из сети для нагрева песка. Затем трубы, встроенные в батарею, направляют холодный воздух внутрь, позволяют теплу передаваться от песка, а затем отправляют горячий воздух наружу при температуре от 140 до 752 градусов по Фаренгейту. Горячий воздух затем можно использовать для получения пара для промышленных процессов или для обогрева зданий или воды. В отличие от обычных батарей, которые со временем становятся менее эффективными, песок не портится, и срок службы батареи составляет 30 лет. И в отличие от литий-ионных батарей (или нефтеперерабатывающих заводов), песок никогда не загорится.
Хотя использование горячего песка в качестве батареи — это древняя идея, инструмент современный и промышленного уровня, способный хранить до 100 МВтч энергии в течение нескольких месяцев. Этого достаточно для месячного спроса на тепло в небольшом родном городе батареи Порнаинен и на неделю в ледяную финскую зиму.
И это только первый промышленный проект от Polar Night Energy; компания планирует конкурировать с литий-ионными батареями в некоторых промышленных приложениях меньшего размера — от 2 МВт до 10 МВт — по всей Европе. Стоимость за хранимый киловатт-час также ниже, хотя высокие первоначальные затраты и строители, которым не нравится незнакомая технология, являются препятствиями. Почти 40 процентов промышленных применений для обогрева находятся в диапазоне температур песчаной батареи.
Willow Quantum от Google: чип, который фактически допускает меньше ошибок по мере увеличения количества физических кубитов
Коррекция ошибок — важная функция в любом компьютерном чипе, а в квантовых компьютерах она ещё важнее. Это связано с тем, что незначительные материальные сбои, изменения температуры и даже космические лучи могут изменить способ хранения или передачи информации вычислительными сущностями, известными как кубиты.
Google зафиксировал крупный рубеж на пути к созданию практически полезного квантового компьютера с новым подходом к коррекции квантовых ошибок. С новой машиной под названием Willow Google создал 105-кубитную машину с беспрецедентной способностью уменьшать количество ошибок даже при увеличении количества работающих кубитов. Поскольку кубиты по своей природе подвержены ошибкам, традиционно чем больше кубитов в чипе, тем выше вероятность сбоя. Размещая кубиты, предназначенные для хранения данных, в сетке с кубитами для исправления ошибок, исследовательская группа Google смогла фактически уменьшить количество ошибок даже при увеличении количества кубитов. Это означает, что массив 7 на 7 имел более эффективную коррекцию ошибок, чем массив 3 на 3 — беспрецедентное достижение. Google сообщает, что Willow выполнила тестовое задание по эталонному числу за пять минут, что заняло бы у обычного «классического» суперкомпьютера 10 септиллионов лет — это старше возраста Вселенной. И это указывает на силу высвобождения квантовых эффектов для решения проблем.
Однако в квантовой стране не всё так радужно, где исследовательские компьютеры обычно стоят миллион долларов, но не могут решить никаких реальных задач. Но без надёжной коррекции ошибок они не смогут этого сделать, и поэтому Willow — это значительный шаг вперёд.
Populus Hotel от Urban Villages/Studio Gang: эко-отель, который серьёзно относится к устойчивому развитию и выглядит как осиновое дерево
Окна, вдохновлённые чёрными «глазами» в белых осиновых деревьях, которые образуются, когда ветки опадают, Populus — это больше, чем просто криволинейное визуальное наслаждение: затенение также помогает уменьшить количество тепла, которое здание получает летом.
Широкое использование древесины в строительстве снижает (но не устраняет) потребность в углеродоёмком бетоне. Строитель использовал специальный бетон с низким содержанием углерода, содержащий угольный отход, известный как летучая зола, что привело к выбросу на 30 процентов меньше углерода, чем у обычного бетона. На объекте есть установка для переработки пищевых отходов в компост. Кроме того, на объекте нет парковки, что снижает потребность в цементе и арматуре и стимулирует использование общественного транспорта и карпулинга.
Отель профинансировал посадку 70 000 тысяч деревьев в Колорадо, чтобы компенсировать выбросы углекислого газа от материалов, а затем приобрёл другие компенсации выбросов углерода (отчасти потому, что большинство саженцев деревьев погибло из-за засухи и заражения жуками). Они также покупают кредиты на энергию ветра у своей электроэнергетической компании. На онлайн-панели управления отель сообщает, что уже поглотил 116 процентов углерода, выброшенного в атмосферу во время строительства и текущей эксплуатации.
Профессор экологических исследований Университета Колорадо Джоэл Харттер не уверен, что все утверждения верны. Например, он указывает, что компенсации — это как платить кому-то другому, чтобы есть овощи, пока вы продолжаете есть фаст-фуд. В конце концов, решением с наименьшим углеродным следом было бы не строить красивый зимний курорт, отапливаемый метаном, чтобы люди могли прилетать туда в гости. Но он не хочет, чтобы совершенство мешало добру. Он говорит, что Populus Hotel помогает показать туристической индустрии, которая остро нуждается в улучшении, что требует приверженности принципам устойчивого развития.
Доставка Zip от Zipline: автономная система дронов, безопасно доставляющая буритосы прямо в дома жителей Далласа
Доставка дронами в переполненном городском районе долгое время казалась слишком сложной и опасной задачей — но теперь это реальность, которая начинает казаться нормальной. Начиная с апреля, Zipline начала оказывать услугу, в рамках которой 5-лопастной дрон-копер собирает буритос или умные часы в таких магазинах, как Chipotle или Walmart, наматывая роботизированное прямоугольное грузовое транспортное средство под названием «Delivery Zip». Затем дрон-копер автономно подлетает к месту нахождения клиента и спускает Delivery Zip для доставки. Звучит как научная фантастика, но пожилые люди и одинокие родители в районе Далласа особенно любят новую услугу (компания сообщает об обслуживании «десятков тысяч» клиентов DFW). Во всём мире Zipline выполнила более 1,85 миллиона доставок дронами и пролетела более 120 миллионов миль без единой серьёзной травмы. Эти цифры оставляют конкурентов с глубокими карманами, финансируемых Google и Amazon, далеко позади.
Zipline начала доставлять переливания крови, а затем и другие лекарства в Руанде в 2016 году, из столицы Кигали в отдалённые сельские регионы, где дороги были недоступны. Среди результатов — на 51 процент меньше смертей от послеродовых кровотечений в учреждениях, обслуживаемых Zipline. Сегодня, после расширения услуг на Кот-д’Ивуар, Нигерию, Гану и Кению, а также медицинских испытаний в Великобритании и США, компания доставила более 25 миллионов доз вакцин. Zipline внедряет розничную торговлю и доставку еды в различные субрегионы района Даллас-Форт-Уэрт — их 20 и более на момент публикации.