8. CẢM BIẾN LƯỢNG TỬ

Các cảm biến lượng tử có khoảng thời gian chuyển đổi trạng thái không thay đổi, cho phép những phương tiện tự hành có thể "quan sát" xung quanh các góc, các hệ thống định vị dưới nước, hệ thống cảnh báo sớm về hoạt động của núi lửa và động đất và máy quét di động theo dõi hoạt động của não người trong cuộc sống hàng ngày.

Cảm biến lượng tử đạt được mức độ chính xác vô cùng cao nhờ khai thác bản chất lượng tử của vật chất - ví dụ, sử dụng sự khác biệt giữa các electron ở những trạng thái năng lượng khác nhau làm đơn vị cơ sở. Đồng hồ nguyên tử là một ví dụ hoạt động dựa trên nguyên tắc này. Thời gian tiêu chuẩn trên thế giới được điều chỉnh dựa trên thực tế là trong một giây, các electron trong nguyên tử xêzi 133 hoàn thành một quá trình nhảy từ mức năng lượng thấp lên cao và ngược lại 9.192.631.770 lần. Các cảm biến lượng tử khác sử dụng quá trình chuyển đổi mức năng lượng của nguyên tử để phát hiện những thay đổi nhỏ trong chuyển động và những khác biệt nhỏ trong trường hấp dẫn, điện trường và từ trường.

Các cảm biến lượng tử có thể giúp ô tô tự hành "nhìn" được mọi góc

Tuy nhiên, có nhiều cách khác để chế tạo cảmbiến lượng tử. Ví dụ, các nhà nghiên cứu tại Đại học Birmingham, Vương quốc Anh, đang nghiên cứu phát triển các nguyên tử siêu lạnh, rơi tự do để phát hiện những thay đổi nhỏ trong trọng lực cục bộ. Loại máy đo trọng lực lượng tử này có khả năng phát hiện các đường ống, dây cáp và các vật thể khác bị chôn vùi mà ngày nay chỉ có thể tìm thấy một cách đáng tin cậy bằng cách đào lên. Tàu đi biển có thể sử dụng công nghệ tương tự để phát hiện những vật thể dưới nước.

Hầu hết các hệ thống cảm biến lượng tử vẫn đắt tiền, cồng kềnh và phức tạp, nhưng một thế hệ cảm biến mới nhỏ hơn, giá cả phải chăng hơn sẽ mở ra các ứng dụng mới. Các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ Massachusetts vào năm 2019 đã sử dụng các phương pháp chế tạo thông thường để đặt một cảm biến lượng tử được chế tạo từ kim cương lên một chip silic, ép nhiều thành phần cồng kềnh thành một hình vuông rộng vài phần mười milimét.

Nguyên mẫu này là một bước tiến hướng tới các cảm biến lượng tử chi phí thấp, được sản xuất hàng loạt, hoạt động ở nhiệt độ phòng và có thể được sử dụng cho bất kỳ ứng dụng nào liên quan đến việc thực hiện các phép đo lường siêu chính xác các từ trường yếu. Các hệ thống lượng tử vẫn rất dễ bị nhiễu loạn, điều này có thể hạn chế ứng dụng của chúng trong các môi trường được kiểm soát. Mặc dù vậy, các chính phủ và các nhà đầu tư tư nhân vẫn đang rót tiền vào các nghiên cứu này và để giải quyết những thách thức khác, bao gồm cả những thách thức về chi phí, quy mô và độ phức tạp. Chẳng hạn, Vương quốc Anh đã đầu tư 315 triệu bảng Anh vào giai đoạn 2 của Chương trình Điện toán Lượng tử Quốc gia (2019-2024).

Các nhà phân tích trong ngành công nghiệp hy vọng cảm biến lượng tử sẽ tiếp cận thị trường trong 3-5 năm tới, với trọng tâm ban đầu là y tế và ứng dụng quốc phòng.

9. HYDRO XANH

Khi hydro cháy tạo ra sản phẩm phụ duy nhất là nước - đó là lý do tại sao hydro là nguồn năng lượng không carbon hấp dẫn trong nhiều thập kỷ. Tuy nhiên, các quy trình truyền thống để sản xuất hydro, trong đó nhiên liệu hóa thạch tiếp xúc với hơi nước, không phải là hoàn toàn không phát thải carbon. Hydro được tạo ra theo cách này được gọi là hydro xám; nếu CO2 được thu giữ và cô lập, nó được gọi là hydro lam.

Hydro xanh thì khác. Nó được sản xuất thông qua quá trình điện phân, trong đó các máy móc tách nước thành hydro và oxy mà không có sản phẩm phụ nào khác. Trong lịch sử, quá trình điện phân đòi hỏi rất nhiều điện nên việc sản xuất hydro theo cách đó không mang lại mấy lợi ích. Tình hình đang thay đổi vì hai lý do. Thứ nhất, lượng điện tái tạo dư thừa đáng kể đã có sẵn ở quy mô lưới điện; thay vì tích trữ lượng điện dư thừa trong pin, lượng điện thừa có thể được sử dụng để thúc đẩy quá trình điện phân nước, “tích trữ” điện năng ở dạng hydro. Thứ hai, máy điện phân ngày càng hiệu quả hơn.

Hydro xanh có thể sẽ là một nguồn năng lượng tái tạo quan trọng trong tương lai

Các công ty đang nghiên cứu để phát triển các chất điện phân có thể tạo ra hydro xanh với giá rẻ như hydro xám hoặc lam và các nhà phân tích kỳ vọng họ sẽ đạt được mục tiêu đó trong thập kỷ tới. Trong khi đó, các công ty năng lượng đang bắt đầu tích hợp máy điện phân trực tiếp vào các dự án điện tái tạo. Ví dụ, một nhóm các công ty thực hiện một dự án mang tên Gigastack có kế hoạch xây trang trại gió Hornsea Two ngoài khơi bờ biển Yorkshire (Vương quốc Anh) công suất 100 megawatt điện phân để tạo ra hydro xanh ở quy mô công nghiệp.

Các công nghệ tái tạo hiện tại như năng lượng mặt trời và gió có thể làm giảm lượng cacbon phát thải trong ngành năng lượng tới 85% bằng cách thay thế khí đốt và than bằng điện sạch. Các khu vực khác của nền kinh tế, chẳng hạn như vận chuyển và sản xuất, khó điện khí hóa hơn vì chúng thường cần nhiên liệu có mật độ năng lượng cao hoặc nhiệt ở nhiệt độ cao.

Hydro xanh có tiềm năng trong các lĩnh vực này. Ủy ban Chuyển đổi Năng lượng cho biết hydro xanh là một trong bốn công nghệ cần thiết để đáp ứng các mục tiêu của Thỏa thuận Paris về giảm hơn 10 gigatonnes CO2 mỗi năm từ các lĩnh vực công nghiệp thách thức nhất, trong số đó có khai thác mỏ, xây dựng và hóa chất.
10. TỔNG HỢP TOÀN BỘ BỘ GEN
Đầu đại dịch COVID-19, các nhà khoa học TrungQuốc đã tải trình tự gen của virus này (bản thiết kế để sản xuất ra nó) lên cơ sở dữ liệu di truyền. Một nhóm các nhà khoa học Thụy Sĩ sau đó đã tổng hợp toàn bộ bộ gen và tạo ra virus từ đó - về cơ bản đưa virus vào phòng thí nghiệm để nghiên cứu mà không cần phải đợi lấy mẫu thực tế. Tốc độ như vậy là một ví dụ về cách in toàn bộ bộ gen đang thúc đẩy y học và những nỗ lực khác.

Tổng hợp toàn bộ bộ gen sẽ tạo ra một bước đột phá trong lĩnh vực kỹ thuật tế bào

Tổng hợp toàn bộ bộ gen là một phần mở rộng của lĩnh vực sinh học tổng hợp đang bùng nổ. Các nhà nghiên cứu sử dụng phần mềm để thiết kế trình tự di truyền mà họ sản xuất và đưa vào vi khuẩn, do đó lập trình lại vi khuẩn để thực hiện công việc mong muốn - chẳng hạn như tạo ra một loại thuốc mới. Cho đến nay, các bộ gen chủ yếu mới chỉ được chỉnh sửa một chút. Nhưng những cải tiến trong công nghệ tổng hợp và phần mềm cho phép có thể in những dải vật liệu di truyền lớn hơn bao giờ hết và thay đổi bộ gen nhiều hơn. Bộ gen của virus, vốn rất nhỏ, được tạo ra lần đầu tiên vào năm 2002 với khoảng 7.500 nucleotide (các chữ cái mã hóa) của poliovirus. Cũng như coronavirus, các bộ gen virus tổng hợp này đã giúp các nhà nghiên cứu hiểu rõ hơn về cách thức lây lan và gây bệnh của các loại virus liên quan. Một số đang được thiết kế để phục vụ cho việc sản xuất vắc xin và liệu pháp miễn dịch.

Các nhà khoa học cũng có thể giải mã các bộ gen chứa hàng triệu nucleotide, như ở vi khuẩn và nấm men. Vào năm 2019, một nhóm nghiên cứu đã in một phiên bản của bộ gen Escherichia coli, một nhóm khác đã tạo ra phiên bản ban đầu của bộ gen men bia, bao gồm gần 11 triệu chữ cái mã hóa.

Việc thiết kế và tổng hợp bộ gen ở quy mô này cho phép vi khuẩn đóng vai trò là nhà máy sản xuất không chỉ thuốc mà còn bất kỳ chất nào. Chúng có thể được thiết kế để sản xuất bền vững hóa chất, nhiên liệu và vật liệu xây dựng mới từ sinh khối phi thực phẩm hoặc thậm chí là khí thải như CO2.

Nhiều nhà khoa học muốn có khả năng giải mã các bộ gen lớn hơn, chẳng hạn như bộ gen của thực vật, động vật và con người. Để làm được điều này, các phần mềm thiết kế (rất có thể kết hợp trí tuệ nhân tạo) và các phương pháp nhanh hơn, rẻ hơn cần được đầu tư nhiều hơn để tổng hợp và lắp ráp trình tự ADN dài ít nhất hàng triệu nucleotide.

Nếu được tài trợ đầy đủ, việc giải mã các bộ gen ở quy mô hàng tỷ nucleotide có thể trở thành hiện thực trước cuối thập kỷ này. Các nhà nghiên cứu đang nghĩ đến nhiều ứng dụng, bao gồm việc thiết kế các loại cây chống lại mầm bệnh và một dòng tế bào siêu an toàn của con người - chẳng hạn, đối với nhiễm virus, ung thư và phóng xạ - có thể là cơ sở cho các liệu pháp dựa trên tế bào hoặc để sản xuất sinh học.

Bộ gen của con người chắc chắn sẽ được giải mã, cho phép các bác sĩ chữa khỏi nhiều bệnh di truyền, nếu không muốn nói là tất cả.Tất nhiên, kỹ thuật giải mã toàn bộ bộ gen có thể bị lạm dụng, với mỗi quan ngại chính là các mầm bệnh trở thành vũ khí hoặc các thành phần tạo ra độc tố của chúng.

Các nhà khoa học và kỹ sư cần phát triển một biện pháp bảo mật sinh học toàn diện, một tập hợpcác công nghệ hiện có và mới có thể phát hiện và theo dõi sự lây lan của các mối đe dọa mới trong thực tế. Các nhà nghiên cứu sẽ cần phải phát triển các chiến lược kiểm tra có thể mở rộng quy mô nhanh chóng. Điều quan trọng là các chính phủ trên thế giới phải hợp tác nhiều hơn hiện tại.

Genome Project-write, một liên hợp thành lậpnăm 2016 để hỗ trợ mạng lưới an toàn này. Dự án bao gồm hàng trăm nhà khoa học, kỹ sư và nhà đạo đức học từ hơn một chục quốc gia phát triển công nghệ, chia sẻ các phương pháp hay nhất, thực hiện các dự án thử nghiệm và khám phá các tác động về đạo đức, luật pháp và xã hội.