רעיונות שישנו את העולם/סיינטיפיק אמריקן

תשע טכנולוגיות חדשות שיחוללו שינוי / העורכים

מהפכות מתחילות לעתים ברעיונות הפשוטים ביותר. כשממציא צעיר ושמו סטיב ג’ובס רצה לתת כוח מחשוב בידי “אנשים שאין להם ניסיון במחשבים ושאינם מעוניינים ממש להשיג ניסיון כזה,” הוא קידם אותנו מן הטכנולוגיה המגושמת של מחשבים מרכזיים ושורות פקודה אל הפיתוחים הקלילים של מקינטוש ואייפון. הרעיון שלו סייע לשנות לנצח את מערכת היחסים שלנו עם הטכנולוגיה.

אילו רעיונות אחרים, פשוטים אך מהפכניים, מצויים כעת במעבדות וממתינים לרגע הנכון כדי להצליח בגדול? מצאנו תשעה כאלה, ובעמודים הבאים נסביר מהם וכיצד הם עשויים לטלטל את

הסדר הקיים: מחשבים שעובדים כמו מוחות, סוללות שאפשר למלא בתחנת הדלק, מטבע ללא גבולות ועוד. אוסף זה הוא המחווה שלנו לכוחו של הרעיון הפשוט.

רפואה

ניטור אישי רצוף של בריאותכם / אליזבת סבובודה

הסמרטפון שלכם יוכל לנטר את המדדים הרפואיים החיוניים ולהתריע בזמן אמת עם הופעת הסימן הראשון לבעיה

מרבית האנשים פונים לרופא כשהם חשים בכאבים בחזה או בגוש חשוד, אך סימני המחלה האלה מופיעים לעתים קרובות מאוחר מדי. איתור מוקדם יותר של תסמינים מצריך ניטור מתמשך, בדיוק כמו זה שטלפון סלולרי עשוי לבצע. מערכות סריקה רפואית שינצלו את שטף הנתונים הרציף של הטלפונים הסלולריים יוכלו לסייע בביטול העיכוב המסוכן שבין הופעת התסמינים ובין האבחון. התקנים ניידים יוכלו גם לסייע למערכת הבריאות לזהות ולטפל בבעיות לפני שהן הופכות חמורות מדי, ויקרות מדי, לטיפול יעיל. בתיאוריה, מערכות התראה רציפות כאלה יוכלו לקצץ 75% מן ההוצאות הרפואיות לטיפול במחלות כרוניות, ולהאריך את תוחלת החיים הכללית באמצעות מניעה של מיליוני מקרי חירום.

חנויות האפליקציות המקוונות מלאות ביישומי בריאות שהם לא הרבה יותר מגימיקים, אך יש בהם כמה מערכות יוצאות דופן המבטיחות לסייע למשתמשים בניהול מחלות כרוניות או בזיהוי פעמוני אזעקה רפואיים. iPhone ECG של חברת AliveCor הוא כיסוי פלסטי לטלפון הסלולרי, שאמור לקבל את אישור מנהל המזון והתרופות האמריקני בתחילת 2012. הכיסוי כולל שתי אלקטרודות מתכת בחלקו האחורי, שמקליטות את קצב הלב כשהמשתמש מחזיק את ההתקן בשתי הידיים או לוחץ אותו אל החזה. את נתוני האלקטרוקרדיוגרפיה (אק”ג) האלה אפשר לשדר בזמן אמת למטופלים, לבני משפחותיהם ולרופאים וליידע אותם על אי-סדירויות בדופק. “זה לא רק מספק התראה מוקדמת,” אומר מפתח ההתקן, המהנדס הביו-רפואי דייוויד אלברט, “אלא גם עושה זאת ללא העלויות הכרוכות במכשירי אק”ג רגילים.”

החברה הצרפתית Withings פיתחה התקן לניטור לחץ דם, שעובד גם הוא עם אייפון. המשתמש עונד את החפת הלבן והדק ובתוך 30 שניות מוצגת המדידה על המסך. אם תוצאת המדידה חריגה, תופיע גם אזהרה. היישום DiabetesManager של חברת WellDoc, שאושר על ידי ה-FDA, מאפשר לחולי סוכרת להזין לטלפון הסלולרי מגוון נתונים בזמן אמת, כגון רמת הגלוקוז בדם, צריכת פחמימות ותרופות שנטלו. התוכנה מנתחת את כל הנתונים האלה וממליצה מה כדאי לעשות כדי לשמור על רמות סוכר בריאות (לדוגמה: ליטול אינסולין או לאכול משהו). ניסוי שתוצאותיו פורסמו בספטמבר 2011 הראה שמשתמשי DiabetesManager השיגו שליטה משופרת ברמות הגלוקוז לטווח ארוך, לעומת חולים שלא השתמשו ביישום.

עד כה, פעלו המערכות החדשות האלה בנפרד זו מזו, ורבות מהן עדיין מצויות בפיתוח. ואף על פי כן, מומחים אומרים שמערכות הבריאות האלחוטיות האלה הן תחילתו של עידן שבו מערכות ניידות לניטור הבריאות יעבדו יחדיו בתיאום, ויעניקו לצרכנים ולרופאיהם תמונה מקיפה ומבוססת נתונים של המצב הבריאותי הכולל. “מבחינה טכנית, אפשר ללחוץ על כפתור [בטלפון שלך] ולומר ‘אני רוצה לראות את המדדים החיוניים שלי בזמן אמת’,” אומר אריק טופול, מנהל מכון סקריפס ליישום רפואי.

המכשול הגדול הוא טכנולוגיית החיישנים: ניטור מסורתי של גלוקוז בדם מחייב ניקוב של העור, ורק אנשים ספורים יסכימו לחבוש כל הזמן ובכל מקום שרוול למדידת לחץ דם או אלקטרודה מודבקת. עם זאת, בקרוב יגיעו חלופות נוחות יותר. מדענים יפניים יצרו לאחרונה סיבים זרחניים שניתנים להזרקה ומנטרים את רמות הגלוקוז בדם. לדברי טופול, מערך עתידי של חיישנים שיהיו מבוססים על חלקיקי-ננו ויתקשרו עם הטלפונים החכמים יוכלו לבצע ניטור אמין של מדדים חיוניים, ויתרון חשוב אף מזה – לאתר מוקדם יותר סימנים מעידים, כגון נוגדנים למחלות מסוימות. החיישנים יוכלו, לדוגמה, לזהות סמנים של גידולים ממאירים, לשלוח התראה מידית להתקן הנייד ולתת לחולים אפשרות להתחיל בטיפולי כימותרפיה מונעת לפני שהתאים הסרטניים מתבססים. בנוסף, ככל שניטור הבריאות הנייד יהיה פשוט יותר, כן סביר יותר שהצרכנים ישתמשו בו. סקר מ-2010 הראה ש-40% מן האמריקנים מוכנים לשלם דמי מינוי חודשיים עבור התקן נייד שישלח לרופאיהם נתוני לחץ דם, גלוקוז או קצב לב.

פול סונייר, סגן הנשיא של “ברית האלחוט ומדעי החיים”, אומר שפתרון מוקדם של בעיות בריאות יהיה פשוט עוד יותר כשניטור הבריאות בהתקן הנייד ישולב עם ניתוח גנטי. אם, לדוגמה, יש למשתמש גן שמגדיל את סיכוייו ללקות בסוכרת או בסרטן בשלב מוקדם בחיים, הוא יוכל לעטות חיישן נסתר, שיודיע לו בטלפון הסלולרי על כל התפתחות חריגה. “יהיה להם חיישן-ננו מוטמע שיתריע עוד לפני שתאי הלבלב מפרישי האינסולין יותקפו או לפני שהתא הסרטני הראשון יופיע,” אומר טופול. אם מערכות ניטור הבריאות הסלולריות יגשימו את הפוטנציאל שלהן, הן יוכלו לשמש שומר שלא ינום ולא יישן, שיגן על אנשים עוד לפני שיֵדעו שהם בסכנה.

מחשוב

שבב שחושב כמו מוח / כריסטופר מימס

מחשבים עצביים יצטיינו בכל המטלות שמחשבים רגילים אינם מסוגלים לבצע

דַרֶמֶנדְרָה ס’ מוֹדָה הוא ככל הנראה מתכנן השבבים היחיד בעולם שהצוות שלו כולל גם פסיכיאטר – ולא במטרה לשמור על שפיות המהנדסים. הוא ועמיתיו, מחמש אוניברסיטאות וממספר דומה של מעבדות בחברת IBM, מפתחים שבב המבוסס על אופן הפעולה של תאי עצב.

הם מכנים את המחקר שלהם בשם “מִחשוב קוגניטיבי”, והתוצרים הראשונים שלו – שני שבבים שכל אחד מהם מכיל 256 תאי עצב מלאכותיים – נחשפו באוגוסט 2011. בינתיים, השבבים אינם מסוגלים ליותר מאשר לנצח מבקרים במשחק “פונג” או לנווט במבוך פשוט, אך היעד הסופי שאפתני יותר: להכניס את כוח החישוב העצבי של המוח האנושי לאריזת סיליקון קטנה. תכנית SyNAPSE, הממומנת על ידי הסוכנות האמריקנית למחקר מדעי מתקדם (DARPA), שואפת לבנות מעבד שיכיל 10 מיליארד תאי עצב ו-100 טריליון סינפסות – סדר גודל דומה לזה של הֶמיסְפֵרָה אחת במוח האנושי. המדענים סבורים שנפח המעבד יהיה כ-2 ליטרים והוא יצרוך חשמל כמו 10 נורות של 100 ואט.

על אף הרושם המתקבל, מודה מתעקש שאין הוא מנסה ליצור מוח. במקום זאת, הצוות שלו מנסה ליצור חלופה לארכיטקטורה המשותפת לכל המחשבים כמעט, מיום שהומצא המחשב. שבבים רגילים חייבים להעביר הוראות ונתונים דרך ערוץ יחיד וצר, המגביל את מהירותם המרבית. בחלופה של מודהה יהיה לכל תא עצב מלאכותי ערוץ משלו, ויכולות העיבוד המקבילי האדירות יהיו מובנות בשבב מלכתחילה. “אנחנו בונים מצע אוניברסלי,” אומר מודה, “פלטפורמה טכנולוגית שתוכל לשמש בסיס למגוון יישומים רחב.”

אם הגישה תצליח, היא תהיה השיא של 30 שנות מחקר בתחום הרשתות העצביות הממוחשבות. כך אומר דון אדוארדס, חוקר במדעי העצב מאוניברסיטת מדינת ג’ורג’יה. ואפילו המתחרים של IBM מתרשמים. “לעיבוד דמוי-עצבי יש פוטנציאל לפתור בעיות שקשה – ויש מי שיאמר, אפילו בלתי אפשרי – להתמודד עמן באמצעות מערכות קונבנציונליות,” אומר בארי בולדינג, סגן נשיא חברת קריי מסיאטל.

מודה מדגיש שארכיטקטורות מחשוב קוגניטיבי לא יחליפו את המחשבים הקונבנציונליים אלא ישלימו אותם. הם יבצעו עיבוד מקדים של מידע מן העולם האמיתי והרועש וימירו אותו לסמלים שמחשבים רגילים מסוגלים להתמודד אתם. לדוגמה, השבבים של מודה יצטיינו בזיהוי תבניות, כגון איתור פנים של אדם בהמון, ויעבירו את זהות אותו אדם למחשב רגיל.

אם כל זה נשמע קצת יותר מדי כמו ראשיתו של מרד המכונות, אפשר אולי להתנחם מעט בכך שהשבבים האלה יהיו גרועים במתמטיקה. “ממש כשם שקשה לייצג את המוח במחשבים של ימינו,” אומר מודה, “כך פעולות החיבור והחיסור, שמחשבים מצטיינים בהן כל כך, יתבצעו באופן מאוד לא יעיל ברשת דמוית מוח. אף אחת מן המערכות אינה יכולה להחליף את האחרת.”

כסף

ארנק (ב)עור / כריסטופר מימס

מי צריך מערכות לתשלום באמצעות הטלפון הסלולרי כשדי בנפנוף יד

כשהתלמידים בבתי הספר של מחוז פּינֶלאס בפלורידה מעמיסים את מגשי ארוחת הצהריים בקפיטריה והולכים עמם לקופה, הם פשוט מנופפים בידיהם ומתיישבים לאכול עם החברים. בתי הספר במחוז התקינו בקופות חיישנים, שגודלם כ-6.5 סנטימטרים רבועים, המזהים כל תלמיד לפי תבנית כלי הדם בכף היד. קניית הארוחה אינה מצריכה מזומנים או כרטיס כלשהו: היד עצמה היא הארנק.

המערכת שבה נעשה שימוש, PalmSecure של חברת פוג’יטסו, מקצרת את זמן העמידה בתור של התלמידים – זמני ההמתנה פחתו לחצי מאז תחילת התכנית – וזהו שיקול חשוב בבית ספר שבו זמן הארוחה הוא חצי שעה בלבד. אחת מקופות החולים במדינות קרוליינה, המפעילה יותר מ-30 בתי חולים, משתמשת בטכנולוגיה הזאת לזיהויים של 1.8 מיליוני חולים גם אם הם אינם בהכרה. המערכת משמשת גם כאמצעי נוסף לאימות זהות בעת ביצוע פעולות בבנק טוקיו-מיצובישי UFJ היפני.

יש מאפיינים פיזיים רבים שבאמצעותם יכולה מכונה לזהות אדם, אך רק מעטים מהם ייחודיים דיים ונגישים דיים כדי לאפשר שימוש פשוט כזה. טביעות אצבעות ותווי פנים אינם ייחודיים כפי שגרמו לנו לחשוב, והם עלולים להוביל לזיהוי שגוי. כמו כן, קל לזייפם. קשתיות העין הן אמנם ייחודיות, אבל צילום שלהן מחייב התבוננות לתוך מכשיר בלי למצמץ למשך כמה שניות. זהו תהליך שיכול להשתבש בקלות, והוא מעורר תחושה פולשנית. לעומת זאת, הסידור התלת-ממדי של כלי הדם בכף היד שונה מאוד בין אדם לאדם, וקל לקרוא אותו באמצעות אור בלתי מזיק בתדר אינפרה-אדום קרוב. אם כך, מדוע אנחנו עדיין משלמים בכרטיסי אשראי?

מומחה האבטחה ברוס שנייר טוען שהמחסום היחיד בפני “ארנק דיגיטלי” כזה הוא שהבנקים וחברות הטכנולוגיה אינם ממהרים לאמץ אותו. “כרטיס אשראי הוא בסך הכול מצביע למסד נתונים,” אומר שנייר. “הוא מגיע בצורה מלבנית נוחה, אבל אינו מוכרח להיות כזה. החסמים בפני הכניסה לשוק אינם קשורים לאבטחה, כי האבטחה היא שיקול משני.”

ברגע שרשת קמעונאית גדולה או סוכנות ממשלתית תיישם מערכת כזאת – דמיינו לעצמכם עלייה לאוטובוס ותשלום בתנועת יד בלבד – היא תוכל להתבסס בכל מקום. התעשייה הפיננסית מטפלת כבר כיום במספר ניכר של מקרי הונאה וזיהוי שגוי, והמעבר לאמצעים ביומטריים לא ישנה ככל הנראה את המצב. אבל הוא כן יהפוך את התשלום לפעולה קלילה כמו נפנוף ביד.

מחשוב

מחשבים מודעים לעצמם / פרנסי דיאפ

אם בני אדם צריכים לנהל את הזמן שלהם, למה שמחשבים לא יעשו זאת? תוכנה חדשה תגרום להם לתפקד ברציפות

הטלפון החכם של ג’ים הולט לא כזה חכם. יש בו יישום מפה, שבו ג’ים משתמש כדי למצוא מסעדות, אך כשהוא מסיים את החיפוש, היישום ממשיך לצרוך כל כך הרבה חשמל וזיכרון, עד שג’ים, מהנדס בחברת פריסקייל סמיקונדטור, אינו מסוגל לעשות אפילו דבר פשוט כמו לשלוח הודעת טקסט.

הטלפון של הולט הוא דוגמה מייצגת לבעיה כללית של מערכות המחשב בימינו: חלק אחד במערכת אינו יודע מה החלק האחר עושה. כל תוכנה זוללת משאבים כפי יכולתה, ומערכת ההפעלה טיפשה מכדי להבין שהיישום היחיד שמעניין את המשתמש כרגע נדחק לשוליים. הבעיה קיימת לא רק בטלפונים חכמים, אלא גם במחשבים אישיים ובמחשבי-על, והיא תיעשה מורכבת עוד יותר ככל שמערכות רבות יותר יסתמכו על מעבדים רבי-ליבות. עתיד המחשוב לא יוכל לעמוד בציפיות שעורר העבר המפואר שלו אם רכיבי המחשב השונים לא ילמדו לשתף זה את זה במידע על היכולות ועל הצרכים שלהם.

הולט ועמיתיו בפרויקט אַנְגְסְטְרוֹם, קונסורציום מחקר בראשות המכון הטכנולוגי של מסצ’וסטס (MIT), מצאו תשובה: מחשב בעל “מודעות עצמית”. במחשבים רגילים, החומרה, התוכנה ומערכת ההפעלה (שמתווכת בין החומרה ובין התוכנה) אינן יודעות בדיוק מה האחרות עושות, אף על פי שכולן פועלות בתוך אותה מכונה. לדוגמה, מערכת ההפעלה אינה יודעת אם יישום נגן וידאו נתקל בקשיים, אף על פי שהצופה יבחין ללא ספק בתמונה המקוטעת.

ב-2011 יצר צוות מ-MIT תוכנה מחקרית בשם HeartBeats, המנטרת את מצבם של כל היישומים השונים במחשב. היא מסוגלת, למשל, לומר שתוכנת וידאו רצה בקצב אטי של 15 תמונות לשנייה ולא בקצב האופטימלי של 30.

בסופו של דבר, הרעיון הוא ליצור מערכות הפעלה שיהיו מסוגלות לזהות יישומים שפועלים לאט מדי ולשקול פתרונות אפשריים. אם הסוללה מלאה, למשל, אפשר להפנות ליישום יותר כוח חישוב. אם לא, מערכת ההפעלה תוכל להורות לו לעבור לאופן פעולה חסכוני יותר על חשבון האיכות. המערכת תלמד מן הניסיון, ואם התקלה תחזור על עצמה, היא תוכל לתקן אותה מהר יותר. מחשב בעל מודעות עצמית יוכל לנהל משימות מורכבות, כגון “הרץ את שלוש התכניות האלה, אך תן קדימות לראשונה” או “חסוך כמה שיותר אנרגיה, כל עוד הדבר אינו פוגע באיכות הסרט שבו אני צופה.”

השלב הבא יהיה לעצב מערכת הפעלה מנטרת, שתוכל להתאים את כמות המשאבים שכל תוכנה ספציפית מקבלת. אם הסרט יוצג לאט מדי, המערכת תקצה לו יותר כוח. לעומת זאת, אם הוא יוצג בקצב של 40 תמונות לשנייה, המחשב יוכל לנתב חלק מן המשאבים למקום אחר, משום שסרטים אינם נראים טוב יותר לעין האנושית בקצב כזה לעומת 30 תמונות לשנייה. “נוכל לחסוך 40% מן החשמל שנצרך בשיטות של היום,” אומר הנרי הופמן, דוקטורנט למדעי המחשב ב-MIT העובד על התוכנה.

לדברי אַנַנְט אַגַרוַול, המדען הראשי של הפרויקט, מערכות מודעות לעצמן לא רק יהפכו את המחשבים לחכמים יותר, הן עשויות להיות חיוניות לניהול מחשבים מורכבים יותר בעתיד. בעשור האחרון הוסיפו המהנדסים למחשבים עוד ועוד יחידות חישוב בסיסיות המכונות “ליבות”. רוב המחשבים כוללים כיום שתיים או ארבע ליבות, אך בעתיד המספר יגדל לעשרות ואפילו לאלפים. הדבר יהפוך את חלוקת משימות החישוב בין הליבות – שמתכנתים עושים כיום באופן ישיר – לבלתי אפשרית כמעט. מערכת מודעת לעצמה תסיר את העול הזה מן המתכנתים ותגדיר באופן אוטומטי כיצד מנצלת התוכנה את הליבות.

היכולת לנהל מספר כה רב של ליבות עשויה להעלות את מהירויות החישוב לרמה חדשה לגמרי שתאפשר להמשיך את מגמת האצת פעולת המחשבים שרווחה עד כה. “ככל שיש לנו מספר רב יותר של ליבות, אנו זקוקים למערכות בעלות רמה כלשהי של מודעות עצמית,” אומר ג’ון וילסנור, פרופסור להנדסת אלקטרוניקה מאוניברסיטת קליפורניה שבלוס אנג’לס, שאינו מעורב בפרויקט אנגסטרום. “אני סבור שבשנים הקרובות נראה חלק מזה.”

כספים

מטבע חוצה גבולות / מורגן פק

המטבע הדיגיטלי הראשון יבטל את הצורך במתווך וישמור על אנונינמיות המשתמש

תארו לכם שהייתם ניגשים לדוכן פלאפל, מזמינים חצי מנה, זורקים כמה שקלים על הדלפק, והמוכר היה אומר: “מצוין. כל מה שחסר לי זה רק שם, כתובת למשלוח חשבונית, מספר טלפון, שם הנעורים של האם, ומספר חשבון הבנק.” רוב הלקוחות היו נרתעים למשמע הדרישות האלה. אבל בדיוק כך אנחנו משלמים על מוצרים ושירותים שאנחנו קונים באינטרנט.

אין ברשת מטבע עובר לסוחר שהוא פשוט, ישיר ואנונימי כמו שטרות כסף. במקום זה, אנחנו מפקידים את הטיפול בעסקאות בידי גופים פיננסיים כדוגמת חברות האשראי (ואלה שומרים לעצמם אחוזים מן המכירה – וגם את הפרטים האישיים שלכם.) כל זה עשוי להשתנות כשיתחיל השימוש ב”ביטקוין” (Bitcoin, מטבע ביטים) – מטבע דיגיטלי לגמרי, נזיל ואנונימי כמו כסף מזומן. “זה כמו לקחת שטר של דולר, לדחוף אותו לתוך המחשב ולשלוח אותו ליעדו באמצעות האינטרנט,” אומר גאווין אנדרסן, אחד מראשי רשת ביטקוין.

ביטקוינים הם ביטים – מחרוזות קוד שאפשר להעביר ממשתמש למשתמש ברשת P2P (peer-to-peer). בדרך כלל, אפשר להעתיק מחרוזות ביטים שוב ושוב עד אינסוף (תכונה שתהפוך כל מטבע לחסר ערך), אבל במחרוזת של ביטקוין אפשר להשתמש רק פעם אחת. הצפנה חזקה שומרת על הביטקוין מפני גנבים פוטנציאליים, ורשת ה-P2P מבטלת את הצורך בשומר סף מרכזי כמו “ויזה” או “PayPal”. המערכת מעניקה את הסמכות למשתמשים במקום למתווכים הפיננסיים.

ביטקוין מאמצת רעיונות מתוכנות הצפנה ידועות. התוכנה משייכת לכל משתמש שני צפנים ייחודיים: מפתח פרטי, השמור רק במחשבו של המשתמש, וכתובת ציבורית הגלויה לכול. בין המפתח ובין הכתובת יש קשר מתמטי, אבל גילוי המפתח על פי הכתובת הוא בלתי אפשרי למעשה. אם יש לי 50 ביטקוין שאני רוצה להעביר לחבר, התוכנה מקשרת את המפתח שלי עם כתובתו של החבר. אנשים אחרים ברשת נעזרים בקשר שבין כתובתי הציבורית ובין המפתח הפרטי שלי כדי לאמת את בעלותי על סכומי הביטקוין שבכוונתי להוציא, ואז הם מעבירים את הביטקוינים תוך שימוש באלגוריתם לפיצוח הקוד, שנועד למנוע שימוש חוזר באותו ביטקוין. המחשב שמסיים את החישוב ראשון זוכה בכמה ביטקוינים מדי פעם, וכך מתגייסת קבוצת משתמשים מגוונת לאחזקת המערכת.

הרכישה המתועדת הראשונה שנעשתה בביטקוין הייתה קנייה של פיצה תמורת 10,000 ביטקוין בתחילת 2010. מאז, שער החליפין ביטקוין-דולר עלה וירד כמו תווים במוזיקת ג’ז. בשל תנודתיות המטבע, מעטים הסוחרים ברשת שמסכימים לקבל תשלומים בביטקוין. נכון לעכשיו, קהילת ביטקוין היא קהילה קטנה אך מלאת התלהבות – ממש כמו ראשוני המשתמשים באינטרנט.

הנדסת חומרים

כרייה זעירה / שרה פכט

חיידקים מפיקים מתכות וגם מנקים את הלכלוך שנשאר

כריית מתכות היא מלאכה שלא השתנתה הרבה מאז תקופת הברונזה: כדי להפיק מעפרה מתכת בעלת ערך, יש לחמם את העפרה ולהוסיף חומר כלשהו, כמו פחם למשל. אבל השיטה הזאת דורשת הרבה אנרגיה, לכן היא יקרה מדי אם ריכוז המתכת בעפרה נמוך באופן יחסי.

כורים פונים יותר ויותר לשימוש בחיידקים שיכולים להוציא מתכת מעפרות באיכות נמוכה במחיר נמוך ובטמפרטורת הסביבה. חברת כרייה יכולה להפיק באמצעות חיידקים עד 85% מן המתכת האצורה בעפרות שריכוז המתכת בתוכן נמוך מ-1%, רק על ידי זריעתם בערמת פסולת מכרות והמטרה של חומצה מדוללת. בתוך הערמה, חיידקים מסוג Acidithiobacillus או מסוג Leptospirillum מספקים לעצמם אנרגיה באמצעות חמצון ברזל וגופרית. בשעה שהם אוכלים, הם מפרישים יוני ברזל וחומצה גופרתית. החומרים הפעילים האלה מפרקים את החומרים הסלעיים ומשחררים את המתכת בעלת הערך.

טכניקות ביולוגיות משמשות גם לניקוי נוזלים חומציים שדולפים ממכרות ישנים, ואגב כך להפקת עוד קצת מתכות יקרות. חיידקים כמו Desulfovibrio ו-Desulfotomaculum סותרים את החומצות ויוצרים יונים גופריים (סולפידים) הנקשרים לנחושת, לניקל ולמתכות אחרות ושולפים אותן מן התמיסה.

בשנים האחרונות התרחבה הכרייה הביולוגית בשיעור חסר תקדים, שכן עפרות באיכות טובה הולכות ונעשות נדירות. כמעט 20% מן הנחושת בעולם מקורה בכרייה ביולוגית, ולהערכתו של יועץ הכרייה קורל בריירלי, שיעור הייצור הוכפל מאז אמצע שנות ה-90 של המאה הקודמת. “חומרים שחברות הכרייה נהגו להשליך נחשבים היום לעפרות,” אומר בריירלי.

השלב הבא הוא שיסוי הסניטרים המיקרוסקופיים בפסולת מכרות. דייוויד בארי ג’ונסון מאוניברסיטת בנגור שבוויילס, החוקר פתרונות ביולוגיים לניקוז חומרים חומציים ממכרות, מעריך שרק עוד כ-20 שנה יתחיל הניקוי הבקטריאלי של המכרות להשתלם מבחינה כלכלית. “בעולם ההולך ומצמצם את תלותו בפחמן, עלינו לחפש דרכי פעולה טבעיות יותר וחסכוניות יותר באנרגיה,” אומר ג’ונסון. “זאת המטרה לטווח הארוך, והעניינים מתחילים להתקדם יפה בכיוון הזה.”

חקלאות

גידולי שדה שלא צריך לשתול מחדש / כריסטופר מימס

גידולים רב-שנתיים יכולים לייצב את הקרקע ולהגדיל את התנובה. ייתכן שיוכלו אפילו לעזור במלחמה בשינוי האקלים

לפני המצאת החקלאות, הייתה מרבית שטחו היבשתי של כוכב הלכת מכוסה צמחים שחיים שנה אחר שנה. הצמחים הרב-שנתיים האלה הוחלפו אט אט בגידולי תבואה שיש לזרוע בכל שנה מחדש. היום בוחנים המדענים אפשרות להשיב את הגלגל לאחור; ליצור גרסאות רב-שנתיות של גידולים נפוצים כדוגמת תירס וחיטה. אם יצליחו בכך, אדמות חקלאיות בכמה מן המקומות העניים בעולם יוכלו להגדיל בשיעור ניכר את תנובתן. ייתכן שהצמחים האלה גם יוכלו לספוח חלק מיתרות הפחמן שבאטמוספרה של כדור הארץ.

כבר כמה עשרות שנים שחוקרים העוסקים במדעי החקלאות חולמים על החלפת הגידולים החד-שנתיים באחיהם הרב-שנתיים, אבל לדברי האגרו-אקולוג ג’רי גלובר, הטכנולוגיה הגנטית הנחוצה לכך נכנסה לשימוש רק בעשר או בחמש-עשרה השנים האחרונות. לרב-שנתיים יתרונות רבים על פני גידולים שיש לזרוע מחדש שנה אחר שנה: שורשיהם עמוקים יותר ומונעים סחיפה, וכך האדמה מיטיבה לשמור על מינרלים חיוניים כמו זרחן. הם גם זקוקים לפחות דשן ולפחות השקיה. שיטת הגידול התעשייתית המבוססת על יבול יחיד (זריעת אותו יבול בכל שנה על אותו שטח) כרוכה בפליטת פחמן לאטמוספרה, ואילו לשדה של רב-שנתיים, שבו אין צורך לעבד את הקרקע, יש יכולת לקבע פחמן.

יש חקלאים שכבר היום מפיקים יבולים גדולים הרבה יותר לאחר ששתלו בשדותיהם שורות של קטנית רב-שנתית המכונה pigeon pea בין שורות התירס, שהוא הגידול העיקרי שלהם. הקטנית הזאת היא מקור חלבון נדרש מאוד עבור החקלאים האלה, הצורכים את התבואה למחייתם, אבל היא גם יכולה להגדיל את כמות המים האצורה בקרקע ולהכפיל את תכולת הפחמן והחנקן שלה בלי לפגום בכמות היבול בחלקה נתונה.

ואולם, הצעדת הרב-שנתיים לשלב הבא, כלומר גידולם בהיקף דומה לגידולי השדה הרגילים, תדרוש מאמץ מדעי נכבד. אד בקלר, גנטיקאי של צמחים מאוניברסיטת קורנל המתכנן לפתח זן רב-שנתי של תירס, סבור שיעברו עוד חמש שנים עד שיזוהו הגנים האחראים על תכונה זו ועוד כעשור עד שיוכלו לגדל זן בר קיימא. “גם אם נשתמש בטכנולוגיות המתקדמות ביותר, קרוב לוודאי שפיתוחו של התירס הרב-שנתי יארך כ-20 שנה,” אומר גלובר.

המדענים מזרזים את פיתוח הרב-שנתיים בעזרת טכנולוגיית אפיון גנטי מתקדמת. הם יודעים היום לנתח במהירות גנומים של צמחים בעלי תכונות רצויות, כדי לחפש את הזיקות בין גנים לבין אותן תכונות. לאחר שהדור הראשון של הצמחים גידל זרעים, החוקרים מוצאים את רצף הדנ”א אצל הנבטים של הזרעים האלה כדי לברור מבין אלפי הזרעים את אותו קומץ המשמר את התכונות האלה (במקום להמתין עד שיתבגרו, מה שיכול לארוך שנים).

כשיהיו בנמצא חלופות רב-שנתיות לגידולי השדה החד-שנתיים, הכנסתם לשדות יכולה להשפיע במידה ניכרת על פליטת הפחמן הכללית בעולם. הסוד הוא בשורשיהם, שיקַבּעו בכל מטר מעוקב בשכבה העליונה של הקרקע כמות פחמן השקולה ל-1% מן המסה של אותה קוביית עפר. לפי חישוביו של דאגלס קל, מנכ”ל המועצה לביוטכנולוגיה ולמדעי החיים של בריטניה, אם בכל שנה יומרו 2% מן הגידולים החד-שנתיים בעולם בגידולים רב-שנתיים, ייתכן שהירידה בכמות הפחמן כתוצאה מכך תוכל לבלום את הגידול בכמות הפחמן הדו-חמצני באטמוספרה. המרת כל שדות העולם לגידולים רב-שנתיים תביא לקיבוע פחמן דו-חמצני בשיעור השקול ל-118 חלקים למיליון. במילים אחרות, קיבוע בכמות שתשיב את ריכוז גזי החממה באטמוספרה למה שהיה לפני המהפכה התעשייתית.

אנרגיה

דלק נוזלי למכוניות חשמליות / כריסטופר מימס

סוג חדש של מצברים יכול לאפשר את החלפת הדלק המחצבי בדלק גולמי ננוטכנולוגי

שיפור מצברים הוא המפתח לבניית מכונית חשמלית שיכולה לגמוא כמה מאות קילומטרים בטעינה אחת, אבל ההתקדמות הטכנולוגית בעניין הדרגתית להכעיס, ואין פריצות דרך באופק. ואולם, בזכות דרך חדשה לארגן את קרביו של המצבר המודרני, ייתכן שיתאפשר להכפיל את כמות האנרגיה המאוחסנת במצבר.

הרעיון עלה במוחו של פרופסור יט-מינג צ’יאנג מן המכון הטכנולוגי של מסצ’וסטס (MIT) כשהיה בשנת שבתון בחברת A123 Systems – יצרנית סוללות שצ’יאנג היה ממייסדיה ב-2001. מה יהיה אם נמצא דרך לשלב את התכונות הטובות של הסוללות המכונות “סוללות זרימה” שבהן מזרימים אלקטרוליט נוזלי דרך התא האלקטרוכימי שלהן (flow batteries), עם צפיפות האנרגיה של סוללות ליתיום-יון המודרניות המשמשות כבר במכשירי חשמל?

סוללות זרימה מתאפיינות בצפיפות אנרגיה נמוכה. צפיפות האנרגיה היא מדד לכמות האנרגיה שהסוללה יכולה לאצור. יתרונן היחיד הוא שקל להגדיל אותן – פשוט בונים מכלים גדולים יותר כדי לאגור את הנוזל האוצר את האנרגיה.

צ’יאנג ועמיתיו בנו אב-טיפוס של סוללה שצפיפות האנרגיה בה דומה לזו של סוללת ליתיום-יון רגילה, אבל תווך האחסון שלה נוזלי כמו בסוללת זרימה. הנוזל הזה, שצ’יאנג מכנה בשם “נפט קיימברידג'” (Cambridge crude), הוא עיסה שחורה של חלקיקי-ננו וגרגרים של מתכות אוגרות-אנרגיה.

אם הייתם יכולים להתבונן בנפט קיימברידג’ במיקרוסקופ אלקטרונים הייתם רואים חלקיקים בגודל גרגרי אבק העשויים מאותם חומרים שמהם עשויות האלקטרודות, החיובית והשלילית, של סוללת ליתיום-יון. החומרים האלה יכולים להיות, לדוגמה, ליתיום-קובלט חמצני (עבור האלקטרודה החיובית) וגרפיט (עבור השלילית).

בין החלקיקים האלה, הגדולים באופן יחסי, מרחפים בנוזל חלקיקי-ננו העשויים פחמן. זהו התבלין הסודי של ההמצאה. חלקיקי הננו מתקבצים לכדי רשת דמוית ספוג ויוצרים “תילים נוזליים” המתחברים לגרגרים הגדולים יותר שבסוללה, שם מאוחסנים היונים והאלקטרונים. התוצאה היא נוזל שמסוגל לזרום בו בזמן שהרכיבים הננוסקופיים שבו שומרים על נתיבים פתוחים למעבר אלקטרונים בין גרגרי התווך האוגר-אנרגיה.

“החומר המרוכב החשמלי הזה הוא אכן ייחודי מאוד,” אומר צ’יאנג. “אני לא מכיר שום דבר שדומה לזה.” העובדה שהחומר הפעיל של הסוללה מסוגל לזרום פותחת פתח לכמה אפשרויות מעניינות, ובהן הרעיון שמכוניות המונעות במצברים כאלה יוכלו להיכנס לתחנת דלק ולחדש את המטען על ידי מילוי מכל בנפט קיימברידג’. אחד משותפיו של צ’יאנג בפרויקט, ו’ קרייג קרטר מ-MIT, העלה את הרעיון שהמשתמשים יוכלו להחליף בתחנה מכלים מלאים באלקטרוליט, כמו שעושים עם בלוני גז, במקום להטעין את המצבר על ידי חיבור לשקע מתאים.

ואולם, מילוי וריקון הסוללות האלה באלקטרוליט הטעון אינם השימוש המסחרי הראשון שצ’יאנג מנסה לקדם. הוא, קרטר והיַזָּם ת’רופ ויילדר, כבר הקימו חברה ושמה 24M Technologies, שנועדה להביא את פרי עבודתו של הצוות אל השוק. קרטר וצ’יאנג אינם מגלים מה יהיה המוצר הראשון שתשיק החברה, אבל הם מדגישים את ההתאמה של המצברים האלה ליישומי אגירה ברשתות חשמל. גם למאגר קטן באופן יחסי יכולה להיות השפעה רבה על ניצולו של מקור אנרגיה בלתי רציף, כמו רוח ושמש, מסביר צ’אנג. לסוללות המבוססות על הדגם שלו, בסדר גודל המשמש בתחנות כוח, תהיה צפיפות אנרגיה גדולה פי עשרה מן הצפיפות של סוללות רגילות. לכן הן יהיו קומפקטיות יותר ואולי אף זולות יותר.

אבל נפט קיימברידג’ עוד רחוק מלצאת לשוק. “הספקנים אולי יאמרו שהדגם החדש הזה מציב יותר אתגרים שיש להתגבר עליהם מאשר יתרונות שיהיו לפתרון האפשרי,” אומר מומחה העומד בראש תכנית מחקר אוניברסיטאית גדולה בנושא אגירת אנרגיה, שהסכים לחוות דעה רק בעילום שם מחשש לפגיעה בעמיתיו. המנגנונים הנוספים הדרושים לשאיבת הנוזל אל תוך תאי הסוללה והחוצה מהם מוסיפים למערכת מסה בלתי רצויה. “המשקל והנפח של המשאבות, מכלי האחסון והצינורות והמשקל והנפח הנוספים הנחוצים שיתפסו האלקטרוליט והתוספים הפחמניים, כל אלה עלולים לעשות את [הטכנולוגיה הזאת כבדה יותר מן] הטכנולוגיות שיעמדו בשורה הראשונה.” ייתכן גם שהסוללות האלה לא יהיו יציבות כמו סוללות הליתיום-יון הרגילות לאורך זמן ואחרי מחזורים רבים של טעינה ופריקה.

סוגיה יסודית יותר היא משך הטעינה הארוך שיהיה לסוללות האלה, ארוך פי שניים עד ארבעה מזה של סוללות רגילות, אומר קרטר. הדבר מקשה את יישומן במכוניות, הזקוקות להעברת אנרגיה מהירה. אחת הדרכים לעקוף את הקושי הזה היא צירוף מצבר רגיל או קבל-על (ultra-capacitor) למערכת. ההתקנים האלה יכולים לפרוק את האנרגיה האצורה בהם בתוך שניות, והם יוכלו לפצות במקרים של מעברי אנרגיה מהירים, כמו בעת בלימה והאצה.

ובכל זאת, הדגם החדש טומן בחובו הבטחות. מערכת האוגרת אנרגיה ב”נוזלים חלקיקיים” יכולה להתאים כמעט לכל הרכב כימי של סוללה, אומר יורי גוגוטסי, מהנדס חומרים מאוניברסיטת דרקסל. לכן היא גורם מאיץ לחידושים נוספים בתחום. “היא פותחת דרך חדשה לתכנון סוללות.”

רפואה

קוטלי חיידקים ננומטריים / אליזבת סבובודה

ייתכן שסכינים זעירים יהיו נשק חשוב במלחמה בחיידקי-על

חיידקי שחפת עמידים לתרופות שוטפים את כל אירופה בסערה. כך מתריע ארגון הבריאות העולמי. אין הרבה טיפולים הולמים; אנטיביוטיקה למיניה אינה פועלת על הזנים המפותחים האלה, וכ-50% מן הנדבקים במחלה ימותו ממנה. המצב העגום הזה דומה למצב המלחמה בחיידקים אחרים החסינים לתרופות, כדוגמת MRSA – מין של חיידק מסוג סטפילוקוקוס שגורם לזיהומים הקוטלים כ-19,000 בני אדם בארה”ב מדי שנה.

הישועה האפשרית היא סכין ננוטכנולוגי. מדענים במעבדת המחקר אלמאדן של IBM המציאו חלקיק-ננו המסוגל להשמיד לגמרי תאי חיידקים על ידי ניקוב קרומיהם.

מעטפת החלקיק טעונה במטען חשמלי חיובי, לכן הוא נצמד לקרומי חיידקים הטעונים במטען שלילי. “החלקיק בא, מתחבר, מתהפך מבפנים החוצה וקודח בתוך הקרום,” אומר ג’ים הדריק, חוקר חומרים ב-IBM העובד בפרויקט בשיתוף פעולה עם מדענים מן המכון לביו-הנדסה וננוטכנולוגיה של סינגפור. ברגע שקרומו של החיידק מנוקב, הוא מתרוקן ומתכווץ כמו בלון מחורר. חלקיקי הננו אינם מזיקים לבני אדם; אין הם נוגעים בתאי דם אדומים, למשל, מפני שהמטען החשמלי של קרומי התאים בגוף האדם שונה מן המטען של קרומי התא של החיידקים. כשמסיימים מבני הננו את מלאכתם, אנזימים מפרקים אותם והם מופרשים החוצה מן הגוף.

הדריק מקווה שהניסויים בבני אדם יתחילו בשנים הקרובות. אם יתברר שהגישה הזאת יעילה, רופאים יוכלו להתיז ג’ל או תרחיץ מלא בחלקיקי-ננו על עורו של חולה כדי למנוע הידבקות ב-MRSA. ועובדי הצוות הרפואי יוכלו להזריק את החלקיקים אל מחזור הדם כדי לעצור מיקרואורגניזמים עמידים לתרופות הנוטים להתפשט בכל הגוף, כמו לדוגמה חיידקי סטרפטוקוקוס, שעלולים לגרום אֶלַח דם ומוות. גם אם יצליח הטיפול, יהיה עלינו להתגבר על אי הנוחות הנלווית למחשבה שמקדחות ננומטריות יסתובבו בכלי הדם שלנו. אבל לא פשוט להביס את החיידקים הזדוניים ביותר על פני כוכב הלכת.

לשבור את חומות המדע והטכנולוגיה

האם שיתוף פעולה בין מדענים ומהנדסים לבין סופרי מדע בדיוני ואמנים יכול להועיל לבניית עתיד טוב יותר?

לפני 10 שנים בלבד, כמעט כל מי שיצא לטיול ארוך בחו”ל היה מצטייד בחבילת סרטי צילום, מתעד את הנסיעה בשיקול דעת כדי שלא לפשוט את הרגל בעת פיתוח התמונות, מסדר את התמונות באלבום, מתיש את חבריו בהתבוננות בהן, או אף גרוע מכך, בערב שקופיות, מאחסן את הכול על מדף ונזכר בהן שוב, אם בכלל, רק לאחר שנים.

כדור הבדולח הטכנולוגי מהווה אתגר למדענים ולאמנים כאחד

בגיליון זה (אפריל-מאי 2012) אנו מציגים, כמדי שנה, מבחר “רעיונות שישנו את העולם” שליקטו עורכי סיינטיפיק אמריקן. לו היינו מפרסמים כתבה כזאת לפני 10 שנים, והיינו מתארים בה פיתוח חדש: מצלמה זעירה המשובצת בטלפון נייד (חידוש משנות ה-90 שהחל לצבור תאוצה בראשית העשור הקודם), קרוב לוודאי שהייתם אומרים שזה רעיון נחמד, אבל ספק אם הייתם מבינים מדוע הדבר ישנה את העולם. היו נחוצים דמיון מפותח מאוד וחוצפה לא קטנה כדי לטעון שבתוך 10 שנים איש לא יקנה סרטי צילום, ושכל עולמנו יתועד באינטנסיביות, שהתמונות ישודרו בשניות מכל מקום לכל מקום ועל ידי כל אחד, ושהדבר ישבש ראיות משפטיות ואפילו יאיץ מהפכות פוליטיות.

מי יכול לנחש מה יהיו ההשפעות של החידושים שאנו מציגים בגיליון זה? נוח מאוד לזהות כל תלמיד בתור לארוחה בבית הספר במהירות ובאופן אמין באמצעות נפנוף כף היד אבל כיצד ישפיע הדבר על הפרטיות בעולם שהמושג הזה הולך ומאבד את משמעותו? מה תהיה השפעת הניטור הרציף של מדדי הבריאות החיוניים של גופנו על התרבות האנושית, שבה הולך וגובר תהליך המדיקליזציה של חיי היום-יום? ואיך תשפיע תוספת של 5 עד 10 שנים לתוחלת החיים שלנו? למי מאִתנו יש דמיון מפותח דיו כדי לחזות כיצד ישתלבו חידושי הטכנולוגיה האלה וישפיעו על חיינו?

כשתקראו את הכתבות העתידניות שלפניכם תראו שהן צבועות בוורוד מלא התקווה של מפתחיהן – מדענים ומהנדסים שרוצים לעשות את עולמנו טוב יותר, מהיר יותר, יעיל יותר, בריא יותר וירוק יותר. אבל האם אכן יושגו התוצאות המקוות האלה? מי יכול להתבונן בכדור הבדולח הטכנולוגי ולהזהיר אותנו מפני הסכנות הרפואיות, האתיות, המשפטיות הסביבתיות והתרבותיות?

התשובה יכולה לבוא מכיוון מוכר, אך לדעתנו לא מוערך דיו: האמנות, וליתר דיוק המדע הבדיוני בספרות ובקולנוע. אנו מציעים לכם לצפות באחת הדוגמאות היותר מוצלחות ומעוררות המחשבה של השנים האחרונות: סדרת הטלוויזיה הבריטית החדשה “מראה שחורה” (Black Mirror) שעוסקת בעתידים קרובים אפשריים. למשל, הפרק השני בסדרה מתאר עולם סגור, שבו כל צעד וצעד מנוטר ומקבל ניקוד: החל מצחצוח השיניים בבוקר ועד צפייה בפרסומות, והנקודות הנצברות משמשות ככסף. וכך נכתב כאן לפני שנה, במהדורה הקודמת של רעיונות משני עולם: “בעתיד הלא רחוק, כשתעמדו מול המראה בחדר האמבטיה ותצחצחו שיניים, אתם עשויים לראות מולכם, לצד הכותרות של חדשות הבוקר, גם טבלת ניקוד שתדרג כמה פחמן פולט ביתכם לעומת בתי השכנים. מברשת השיניים החשמלית תצפצף כדי להודיע לכם, שההקפדה על צחצוח פעמיים ביום במשך חצי השנה האחרונה הקנתה לכם די נקודות כדי לזכות בהנחה של 10% בביקור הבא אצל רופא השיניים.” [משחק החיים, ג’ון פוולוס, סיינטיפיק אמריקן ישראל, אפריל-מאי 2011].

נראה כאילו יוצרי הסדרה קראו בעיון את המאמרים בסיינטיפיק אמריקן ובחרו להציב מראה שחורה מול המראה הוורודה (מדי?) של אנשי הטכנולוגיה, ההנדסה והמדע.

והמראה הזאת היא לדעתנו דבר הכרחי. היינו רוצים לראות שיתוף פעולה הדוק יותר בין אמנים ויוצרים לבין מהנדסים ומדענים כדי לנסות ולעבוד יחד על עיצוב העתיד. שיתוף פעולה שיכול להתחיל אפילו בבתי הספר ובאוניברסיטות. מדוע שתלמידים במגמות הקולנוע, הלומדים גם מקצוע מדעי (ויש כאלה), לא ישלבו בין התחומים ויציגו בפרויקט הגמר את גרסתם ל”מראה שחורה”? ומדוע שתלמידי דוקטורט בפיזיקה או בתואר מתקדם בהנדסת חשמל לא יתנסו בסדנאות לכתיבה יוצרת ויגרו את דמיונם בכתיבה בדיונית?

ואולי מישהו מקוראינו ירים את הכפפה וישלח לנו סיפור שמקור השראתו באחת הכתבות של גיליון זה? מחכים לכם.