Новітні прогресивні технології

Досягнення сучасної науки сприяли появі багатьох прогре­сивних технологій, покликаних суттєво вплинути на ефектив­ність багатьох галузей виробництва. До найбільш вагомих із них відносять технології, які, володіючи сукупністю основних ознак (наукоємність, системність, фізичне і математичне моделювання з метою структурно-параметричної оптимізації, комп’ютерне технологічне середовище і автоматизація всіх етапів розробки і реалізації, стійкість і надійність, екологічна чистота) при відповідному технічному і кадровому забезпеченні (прецизійне устаткування, оснащення і інструмент, певний характер робочого технологічного середовища, система діагностики, комп'ютерна мережа управління і спеціалізована підготовка персонажа), гарантують отримання виробів, що володіють новим рівнем функціональних, естетичних і екологічних властивостей. Всі ці технології об’єктивно є складовими єдиного, самостійного напряму в рамках новітніх наукових знань, суть яких більш повно відображається в понятті високі технології.

Висо́кі техноло́гії (ВТ) (англ. high technology, high tech, hi-tech) - найновіші і найпрогресивніші технології сучасності. Це - технології, які розроблені на основі новітніх наукових знань, за своїм технічним рівнем перевищують кращі вітчизняні та іноземні аналоги і спроможні забезпечити передові позиції на світовому ринку наукомісткої продукції.

Головною ознакою високих технологій, безумовно, є робочий процес. Він домінує у всій технологічній системі і повинен відповідати найрізноманітнішим вимогам, але, головне, бути потенційно здатним забезпечити досягнення нового рівня функціональних властивостей виробу. Тут багатими можливостями володіють ті стійкі і надійні робочі процеси, в яких ефективно використовуються фізичні, хімічні, електрохімічні і інші явища в поєднанні із спеціальними властивостями інструменту, технологічного середовища, наприклад криогенне різання, дифузійне формоутворення виробів з алмазів і т.п.

Поза сумнівом, істотною ознакою ВТ є автоматизація, що базується на комп’ютерному управлінні всіма процесами проектування, виготовлення і складки, на фізичному, геометричному і математичному моделюванні, всесторонньому аналізі моделей процесу або його складових.

До високих технологій належать найбільш наукоємні галузі промисловості такі, як:

· мікроелектроніка,

· інформаційні технології,

· обчислювальна техніка,

· програмування,

· робототехніка,

· нанотехнології,

· атомна енергетика,

· космічна техніка,

· біотехнології,

· генна інженерія.

Зупинимося на розгляді деяких високих технологій.

Системи космічних технологій. Досягнення космонавтики відкрили перед людством великі можливості не тільки для наукового пізнання навколишнього світу, але і для багатьох практичних завдань. Використання штучних супутників Землі для зв'язку, телебачення, метеорології, картографії, навігації, сільського і лісового господарств, розвідки рибних ресурсів міцно увійшло до повсякденної діяльності людства.

Використання космічного простору дозволяє вирішувати задачі зняття екологічних, сировинних і енергетичних обмежень, накладених в даний час на земне виробництво.

Безперервне вдосконалення космічних апаратів відкриває все нові і нові можливості їх застосування в науці і виробництві.

Одним з перспективних напрямів розвитку космонавтики є космічна технологія.

Завдання технології як науки - виявлення фізичних, хімічних, механічних і інших закономірностей з метою їх використання у виробництві продукції.

Змістом космічної технології є сукупність науково-технічних знань про реалізацію технологічних процесів в умовах космічного простору.

Передумовою розвитку космічної технології можна вважати успіхи, досягнуті в області космічної науки і техніки.

Неминучість виникнення космічної технології можна пояснити наступним:

1. Космічний простір володіє унікальними властивостями, такими, як тривала невагомість, глибокий вакуум, високі і низькі температури, потоки проникаючої радіації і ін. Вакуум, високі і наднизькі температури, могутня радіаційна техніка широко використовуються в земному виробництві. Проте необхідно відзначити, що використання цих екстремальних технологій в наземних умовах надзвичайно дорого і дуже часто лімітовано часом. Комплексні пристрої, реалізовуючі декілька чинників космічного простору, завжди є унікальними розробками.

2. Маса і габаритні розміри об'єктів, що виводяться в космос, обмежені зараз і будуть обмежені надалі технічними можливостями
ракет-носіїв і їх впливом наэкологию Землі. Проте є тенденція до укрупнення створюваних і експлуатованих в космосі об'єктів. Наприклад, перспективна міжнародна космічна станція «Альфа» повинна мати масу декілька сотень тонн. Створення таких об'єктів на орбіті вимагає організації складальних, монтажних, випробувальних і контрольних технологічних робіт, які можуть здійснюватися в незвичайних для Землі умовах.

3. Час безперервної експлуатації космічних об'єктів досягає зараз вже десятків років, наприклад російський орбітальний комплекс «Мир»
експлуатується в даний час більше одинадцяти років. Таке тривале технічне використання об'єктів вимагає добре розвиненої і матеріально забезпеченої системи проведення регламентних, ремонтних і відновних робіт.

4. В процесі розвитку суспільства виникає необхідність винесення в космос, наприклад на орбіти штучних супутників Землі, частини технологічних комплексів, що мають велике значення. Це космічні системи зв'язку, метеорології, навігації, геодезії, вивчення природних ресурсів Землі, моніторингу її поверхні і ін.

В даний час в космічній технології сформувалися два актуальні напрями досліджень, дві області додатку результатів досліджень і розробок в практиці.

Перший напрям - це дослідження і розробки технологічних процесів на користь експлуатації космічних літальних апаратів, що реалізовуються безпосередньо в умовах польоту силами і засобами екіпажа. Цей напрям іменують «технологічна діяльність космонавта» (ТДК).

Другий напрям — це дослідження і розробки в цілях отримання речовин і матеріалів з використанням унікальних властивостей космічного простору, організація економічно виправданого їх промислового виготовлення, яке отримало найменування «космічне виробництво».

Виходячи із загальної спрямованості прогресу космонавтики відкриваються широкі можливості і для розвитку космічних технологій. Так, наприклад, на пілотованих космічних станціях вже тривалий час проводяться експерименти з метою одержання в космосі нових матеріалів і таких технологічних процесів, що принципово неможливі на Землі (створення надчистих металів, багатокомпонентних напів­провідникових матеріалів, наприклад композицій кадмій – ртуть і телур, спеціальних сплавів, вивчення процесів дифузії й кристалізації в умовах мікрогравітації). Причому це вдається робити не тільки в присутності космонавтів, а й в автономному режимі польоту.

В умовах космічної мікрогравітації проведені експерименти з одержання пінометалів, зокрема піноалюмінію. Причому характеристики пінометалів помітно відрізняються від земних, що дає змогу сподіватися на появу виробів із високою питомою стійкістю, хорошими демпферними параметрами (властивостями, які зменшують коливання) і більш низькою теплопровідністю, ніж у звичайних металів.

В умовах мікрогравітації вдається також одержувати скло з особливими властивостями, які потрібні для створення волоконно-оптичних ліній зв’язку, а також високоактивовані лазерні та поліпшені фотохромні та магнітооптичні види скла. Можливе також створення двофазних композиційних оптичних матеріалів.

Вивчаючи дану тему зверніть увагу на використання космічних технологій для дистанційного вивчення природних явищ і процесів, що відбуваються на земній кулі. Наприклад, використання системи метеорологічних супутників, картографування та дистанційного зондування різноманітних районів Землі з космосу з метою розробки проектів раціонального використання земель, запобігання ерозії ґрунтів, осушення боліт, обводнення полів, виявлення пасовищних угідь тощо.

Космічні технології стали надійними помічниками геологів. Супутникова інформація внаслідок свого багатоцільового характеру спроможна стати основою, на базі якої можна проводити комплексні взаємоузгоджені дослідження, що стосуються геології, сільського, лісового, водного господарства, стану навколишнього середовища. Кінцева мета таких досліджень - виявлення додаткових ресурсів, природно-економічного потенціалу й екосистеми певного регіону України, а також вирішення подібних проблем у масштабах планети.

В найближчому майбутньому слід чекати освоєння і реалізації в умовах польоту складних технологічних процесів, пов’язаних з створенням унікальних матеріалів і виробноицтвом принципово нових приладів або апаратів для радіотехнічної, приладобудівної, авіаційної, космічної і медичної промисловості.

Генна інженерія. Іншим дуже перспективним напрямом у технології вважають використання здійсненого у 1953 році Д.Д. Уотсоном і Ф.Х. Кріком відкриття структури дезоксирибонуклеїнової кисло­ти (ДНК) та розшифрування у 1963 році М. Ніренбергом генетично­го коду, що ознаменувалось виникненням нової генетичної, або генної інженерії, метою якої стало керування генетичною осно­вою живих організмів шляхом введення або вилучення із ДНК специфічних генів.

Так була започаткована генна інженерія - спрямоване конструювання генетичних систем. З’явилася можливість створювати організми з потрібними людині ознаками, нап­риклад мікроорганізми, що мають рекордну продуктивність. Ними і стали продуценти антибіотиків або кормового білка з поліпшеним амінокислотним складом. Для рослинництва це означало одержання принципово нових гібридів із високою врожайністю і максимальною стійкістю до несприятливих чинників середовища. З’явилася можливість ліквідації спад­кових дефектів у тварин і людини.

При розкритті даного питання зверніть увагу на прикладне використання генної інженерії, особливо на виник­нення так званої генної індустрії ДНК - виробництва фізіологічно активних речовин білкової й іншої природи для медичних і сільськогосподарських потреб. Нині в активі нової галузі є низка унікальних досягнень, в першу чергу, одержання промислових партій ефективного медичного препарату інтерферону - природного противірусного агента, що ви­робляється організмом у відповідь на зараження вірусом. Цей лікарський препарат одержували донедавна тільки з лейкоци­тів донорської крові. Але для лікування людей, що страждають вірусними інфекціями, потрібно стільки інтерферону, що його виготовлення таким методом не є можливим.

Далі ознайомтесь з використання досягнень генної інженерії у виробництві інсулінових препаратів, створенні і промисловому використанні гормону росту (наприклад, для лікування опіків і кісткових переломів).

Дуже плідне застосування ідей і методів клітинної інженерії в рослинництві. Річ у тім, що рослини мають чудову властивість: одна клітина у певних умовах може розвитися так, що починає давати біомасу. Традиційним методом з однієї рослини одержують 50-100 нових, а ґрунтуючись на клітинній технології - до мільйона. Це дає змогу істотно прискорити селекційний процес і створювати нові високоврожайні та стійкі до хвороб і шкідників сорти. Застосовуючи методи клітинної технології вже вирощують женьшень й інші лікарські рослини, створюють міжвидові гібриди сільськогосподарських рослин, наприклад, картоплі й томату, які неможливо одержати традиційним шляхом. Велике майбутнє обіцяє розшифрування і пересадка генів азотфіксації. Як відомо, цю здатність мають тільки мікро­організми, що живуть у ґрунті або є в бульбах бобових рослин. Дуже привабливо підсилити процес азотфіксації або надати таких властивостей рослинам, що не мають подібної особливості, наприклад соняшнику або буряку. Це дозволить швидко підвищити врожайність деяких сільськогосподарських культур.

Таким чином, можна зазначити, що генна інженерія - розділ молекулярної генетики, що дозволяє створювати генетичні стру­ктури, здатні самовідтворюватись у клітинах, змінювати їх гене­тичну програму та здійснювати синтез сполук з певними задани­ми властивостями. Як наука вона виникла на основі досягнень біохімії, молекулярної біології, мікробіології та інших наук.

Суть генної інженерних досліджень полягає в такому:

- одержання методом хімічного або ферментативного синтезу відповідного гена, фрагмента ДНК, на якому закодовано первин­ну структуру певного біополімера;

- одержання рекомбінатної ДНК шляхом введення та сполу­чення даного гена з векторною молекулою, яка здатна забезпечи­ти реплікацію його в клітині реципієнта;

- введеня рекомбінатних молекул ДНК у відповідне середовище;

- клонування генів - розмноження та відбір однорідного гене­тичного матеріалу, який забезпечує синтез необхідних речовин.

Генна інженерія створює основи пізнання шляхів і способів «конструювання» нових або спрямованої зміни існуючих органі­змів, сприяє розв'язку проблеми добування біологічно активних сполук, лікарських препаратів. Генна інженерія, разом з клітин­ною інженерією, є основою сучасної біотехнології.

Незважаючи на різні інструменти (електронні мікроскопи в на-нотехнологіях, ферменти в генній інженерії), у них одна спільна мета - «конструювання» нових речовин і рослин з новими влас­тивостями із існуючих нативних речовин.

Біотехнології. Біотехнологічний процес - це технічне застосування біохімічних процесів, які відбуваються у живій клітині.

Більшість біохімічних реакцій в організмі є каталітичними. Процеси в живих клітинах відбуваються не в оптимальних умовах, тобто за відсутності високих температур, тисків тощо. Щоб біохімічні реакції в організмі відбувалися з більшою (необхідною) швидкістю, потрібні біологічні каталізатори. Такі каталізатори характеризуються високою активністю й ефек­тивністю, великою швидкістю перетворень, порівняно низькою температурою протікання процесів (20 - 40 °С) в умовах атмосферного тиску. Застосування у промислових масштабах принципів біологічного каталізу, який здійснюється природою, дає можливість абсолютно по-новому перебудувати цілі галузі промисловості. При цьому нові промислові технології, що ґрунтуються на біокаталізі, стають практично безвідходними й екологічно чистими.

На сьогодні у промисловості біологічні процеси здійснюють­ся в основному за допомогою мікроорганізмів. Унаслідок цього використовується активність не ізольованих ферментів, а ферментів, які є у складі живих клітин мікроорганізмів.

Ефективність технологічних процесів, що ґрунтуються на використанні мікроорганізмів як технічних каталізаторів, досить висока. Наприклад, за добу з кожного 1 м³ апарата (біохімічного реактора) отримують 30 кг білків. Щоб одержати за добу таку саму кількість тваринних білків, потрібно утримувати 100 корів, а для виробництва такої маси рослин­них білків треба було б 18 га посівів, наприклад, гороху.

Мікробіологічні процеси набувають поширення у вироб­ництві лікарських препаратів, органічних кислот, спиртів, розчинників тощо.

Так, у фарма­кології з’являється можливість з її допомогою створювати велику кількість нових, ще не існуючих ліків. У хімічній про­мисловості, за деякими оцінками, за рахунок застосування біотехнології, можна виробляти значну частину всієї про­дукції. Вже нині за допомогою біотехнологічних процесів одержують 10 - 12 % органічної сировини. Створення нових мікроорганізмів дозволить організувати масштабне виробницт­во пластмас із природних цукрів, збагачувати руди цінних металів, перетворювати азот повітря в сполуки, що засвою­ватимуться рослинами.

У сільськогосподарському виробництві перспективним є генетичне поліпшення рослин, що значно підвищить врожай­ність. Згідно з прогнозами, у найближчі 10-20 років за до­помогою генної інженерії вироблятиметься понад тисячу найменувань різноманітних продуктів.

Розбудова сучасної біотехнології - яскравий приклад того, як багато дають людству відкриття фундаментальних наук і теоретичні дослідження.

Нанотехнологія. Нанотехнологіями (рос. нанотехнологии, англ. nanotechnologies, нім. Nanotechnologien f pl) — в широкому значенні слова прийнято називати міждисциплінарну область фундаментальної і прикладної науки, в якій вивчаються закономірності фізичних і хімічних систем протяжністю порядку декількох нанометрів або часток нанометра (нанометр — це одна мільярдна частка метра або, що те ж саме, одна мільйонна частка міліметра (діаметр людської волосини становить близько 80 тис. нанометрів).

Вужче значення цього терміну прив’язує нанотехнології до розробки матеріалів, приладів і інших механічних і немеханічних пристроїв, в яких застосовуються подібні закономірності. Нанотехнології мають справу з процесами, які протікають в просторових областях нанометрових розмірів.

Тобто нанотехнології можна означити як технології, основані на маніпуляції окремими атомами і молекулами для побудови структур із наперед заданими властивостями.

Щоб краще зрозуміти сутність нанотехнологій, зупиніться на розгляді їх властивостей. Як відомо, властивості наносистем багато в чому відрізняються від властивостей крупніших об’єктів, що складаються з тих же самих атомів і молекул. Наприклад, наночастинки платини набагато ефективніше очищають автомобільні вихлопи від токсичних забруднювачів, ніж звичні платинові каталізатори. Одношарові і багатошарові графітні циліндри нанометрової товщини, так звані вуглецеві нанотрубки, прекрасно проводять електрику і тому можуть стати заміною мідним дротам. Нанотрубки також дозволяють створювати композитні матеріали виняткової міцності і принципово нові напівпровідникові і оптоелектронні пристрої. На сучасному етапі нанотехнології використовують під час виробництва особливих сортів скла, на яких не осідає бруд (застосовується в автомобіле- і авіабудуванні) і так далі.

Нанотехнології розвиваються за такими основними напрямами:

· створення матеріалів з ексклюзивними, наперед заданими властивостями шляхом оперування окремими молекулами;

· конструювання нанокомп’ютерів, які використовують замість звичайних мікросхем набори логічних елементів з окремих молекул;

· збирання нанороботів - систем, що саморозмножуються і призначені для ведення будівництва на молекулярному рівні.

Далі розгляньте перспективи використання нанотехнологій у різних галузях промисловості. Так, наприклад, застосування нанотехнології у гірничій промисловості дозволить, по-перше, створювати нові види ресурсів, які можна буде використовувати, а по-друге - здешевити процеси їх видобутку і перероблення. Також можна буде перетворювати одні ресурси на інші. Перехід деревини в кам'яне вугілля у природних умовах займає мільйони років.

Однак найуразливішим застосуванням нанотехнології в добувній промисловості стане освоєння автоматичними фабриками ресурсів Місяця.

Грандіозні перспективи нанотехнології в архітектурі. Розвиток виробництва нанотрубок і нанокомпозитів зробить реальними багатоповерхові дороги і кілометрові хмарочоси. Матеріали, що самоочищаються, зроблять будь-яке місто чистішим, а тонкоплівкові сонячні батареї скоротять витрати на електроенергію. Електронний ніс почує щонайменші витоки газу, а оболонки трубопроводів, що самовідновлюються, звільнять місто від необхідності містити тисячі працівників жеку. Ультрагідрофобні покриття каналізаційних труб зроблять їх надслизькими, перешкоджаючи засміченню. Біодеградовані пластмаси зроблять огидні звалища надбанням історії.

Дешеві, легкі і міцні наноматеріали з часом витіснять більшість металів і пластмас. Вуглецеві нанотрубки у сто разів міцніше сталі притому, що вдесятеро легше за неї і в тисячі разів елекгропровідніше.

У медицині нанотехнології забезпечать прискорення розроблення нових ліків, створення нанопрепаратів і способів доставки лікарських засобів до уражених органів, нановипромінювачів для знищення злоякісних пухлин; наноматеріалів необхідних при лікуванні опіків і ран; у стоматології; у косметології. Широкі перспективи відкриваються і у сфері медичної техніки (розроблення засобів діагностики, проведення безболісних операцій, створення штучних органів). За прогнозами вчених вже в найближчому майбутньому з’являться медичні пристрої, розміром з поштову марку. Їх досить буде накласти на рану і цей пристрій самостійно проведе аналіз крові, визначить, які медикаменти необхідно використовувати і впорсне їх у кров.

Зверніть увагу на використання нанотехнологій в сільському господарстві. Як свідчать численні дослідження, нанотехнології спроможні зробити революцію в сільському господарстві. Молекулярні роботи здатні будуть готувати їжу, замінивши сільськогосподарські рослини і тварин. Приміром, теоретично можливо виробляти молоко безпосередньо з трави, минаючи проміжну ланку — корову. Таке "сільське господарство" не залежатиме від погодних умов і не потребуватиме важкого фізичній праці. А продуктивності його вистачить, щоб розв'язати продовольчу проблему раз і назавжди.

Нанотехнології здатні також стабілізувати екологію планети. По-перше, за рахунок насичення екосфери молекулярними роботами-санітарами, що перетворюють відходи діяльності людини в початкову сировину, а по-друге, за рахунок перекладу промисловості і сільського господарства на безвідходні нанотехнологічні методи.

Особливі надії на нанотехнології покладають фахівці у галузі електроніки і інформаційних технологій. Нанороботи здатні втілити в життя мрію фантастів про колонізацію інших планет — ці пристрої зможуть створити на них середовище, придатне для життя людини.

Ряд нанотехнологій використовується на практиці — приміром, при виготовленні цифрових відеодисків (DVD).

Очікується, що вже 2025 року з’являться перші роботи, створені на основі нанотехнологій. Теоретично можливо, що вони зможуть конструювати з готових атомів будь-який предмет.

Вивчаючи дане питання, зверніть увагу на позитивні і негативні сторони нанотехнологій.

Позитивні сторони: нанотехнології дозволили розробили нанодвигун, який працює на хімічному пальному; створити ротаксан - молекулярну машину, яка дозволяє „обійти” другий закон термодинаміки; створити нові, стійкі до забруднень та ушкоджень матеріали; наділити інтелектом найзвичніші предмети побуту.

Новітні технології обіцяють подолати нові й поки що невиліковні хвороби. Передбачається, що наночастинки використовуватимуться для доставки до потрібних органів корисних речовин та ліків.

За оцінками експертів, уже до 2010 року 50% медикаментів вироблятимуться за допомогою нанотехнологій.

Люди носитимуть одяг, який змінює колір, обмінюватимуться візитівками з нанесеною на них відеорекламою, передаватимуть свої емоції за допомогою імплантатів, що відображають настрій.

Жінки милуватимуться собою у комп’ютеризованих дзеркалах, котрі коригуватимуть зображення до ідеального, а на своїх нігтях матимуть манікюр із запрограмованим кольором та візерунками.

Світ майбутнього буде різнобарвним, насиченим життям. Він перейде на наступний рівень, де багато сучасних проблем будуть розв’язані.

Негативні сторони: 1987 року американський вченого Ерік Деркслер висунув теорію „сірого слизу”. За його прогнозом у майбутньому з’являться нанороботи завбільшки з бактерію, здатні самостійно компонувати молекули в певних комбінаціях. Вихід таких систем з ладу - катастрофа. Самовідтворюючі роботи в разі програмного збою почнуть продукувати нові й нові організми, беручи за матеріал усю доступну біомасу. Внаслідок нанохаосу планету вкриє однорідний шар липких елементів.

Ще одна шокуюча оцінка перспектив нанотехнологій в тому, що використання нанороботів у медицині стане початком переходу людини з еволюційно-біологічної форми Homo Sapiens у технологічну істоту, що само розвивається - Nano Sapiens. Розумне життя на Землі завершить свій еволюційний етап і надалі розвиватиметься в наноформі, за законами саморегуляції. Можливості нанороботів, а також недовершеність людського тіла приведуть до його радикальної „перебудови”. Nano Sapiens будуть набагато пристосованішими до життя. У них не буде статі, статевого розмноження, інстинктів. Їм не потрібні будуть сьогоднішні технічні пристосування – частина з них буде інтегрована в їхні організми. Спільне у Nano Sapiens і людини лише одне – здатність мислити. У перспективі „людство”, що складається з індивідів Nano Sapiens, інтегруючись на інформаційному рівні, зіллється в єдину особистість - Megasapiens, „плоть” якої може бути загалом не визначене у просторі.

Також, проблемою є - складність розроблення наноречовин, мається на увазі те, що їхній вплив буде залежати більш ніж просто від хімії. Одна тільки мікроскопічна величина наночастинок могла б дозволяти їм легше проникати й вражати людські органи. Речовини наномасштабу можуть мати надзвичайні властивості - властивості, котрі не узгоджуються із «прописними» фізикою та хімією, – може являти собою потенційну загрозу. Очікують, що нанотехнологія призведе до революційного зру­шення в технології, якісної зміни існуючих виробництв, підви­щення точності, надійності контролю і безпеки, а також значного зрушення в суспільстві