Φθηνή ενέργεια από υδρογόνο χάρη σε νέα μέθοδο διάσπασης του νερού. New catalyst outshines platinum for producing hydrogen

Ερευνητές του UNSW Sydney (University of New South Wales), του Griffith University και του Swinburne University of Technology ανέπτυξαν έναν ιδιαίτερα φθηνό και βιώσιμο τρόπο παραγωγής υδρογόνου για χρήση ως καύσιμο, ανοίγοντας πιθανώς έναν νέο δρόμο για οχήματα που κινούνται με φθηνή ενέργεια. This colorized high-resolution TEM microscope image shows the catalyst’s two phases, MoP in purple, MoP2 in yellow. Credit: Environmental Molecular Sciences Laboratory

Σε έρευνα που δημοσιεύτηκε στο Nature Communications παρουσιάζεται πώς είναι δυνατή η εξαγωγή υδρογόνου μέσω διάσπασης του νερού χρησιμοποιώντας μέταλλα χαμηλού κόστους, όπως ο σίδηρος και το νικέλιο ως καταλύτες που επιταχύνουν τη διαδικασία, ενώ παράλληλα απαιτείται λιγότερη ενέργεια. Ο σίδηρος και το νικέλιο, που υπάρχουν αφθονία στη Γη, θα μπορούσαν, ως εκ τούτου, να αντικαταστήσουν πολύτιμα μέταλλα όπως το ρουθήνιο, η πλατίνα και το ιρίδιο, που μέχρι τώρα θεωρούνταν ως οι βασικοί καταλύτες στη διαδικασία διάσπασης του νερού.

Ο Τσουάν Ζάο, καθηγητής της Σχολής Χημείας του UNSW, αναφέρει πως στη διάσπαση του νερού δύο ηλεκτρόδια διοχετεύουν ηλεκτρισμό στο νερό, κάτι που επιτρέπει τον διαχωρισμό του υδρογόνου από το οξυγόνο και τη χρήση του για σκοπούς ενέργειας σε μια κυψέλη καυσίμου.

«Αυτό που κάνουμε είναι να επικαλύπτουμε τα ηλεκτρόδια με τον καταλύτη μας για να μειώνουμε την κατανάλωση ενέργειας» λέει σχετικά. «Σε αυτόν τον καταλύτη υπάρχει ένα μικροσκοπικό interface νανοκλίμακας, όπου ο σίδηρος και το νικέλιο συναντιούνται σε ατομικό επίπεδο- κάτι που εξελίσσεται σε έναν χώρο διάσπασης νερού. Εκεί είναι που το υδρογόνο μπορεί να διαχωριστεί από το οξυγόνο και να εξαχθεί ως καύσιμο, και το οξυγόνο να απελευθερωθεί ως φιλικό προς το περιβάλλον απόβλητο».

Το 2015 η ομάδα του καθηγητή Ζάο είχε ανακαλύψει ένα ηλεκτρόδιο νικελίου- σιδήρου για παραγωγή οξυγόνου, με απόδοση-ρεκόρ. Ωστόσο ο καθηγητής Ζάο λέει πως, από μόνα τους, το σίδηρο και το νικέλιο δεν είναι καλοί καταλύτες για παραγωγή υδρογόνου, αλλά όταν ενώνονται σε μικροκλίμακα, «έχουμε μαγεία».

Η ανακάλυψη αυτή θα μπορούσε να αλλάξει τα δεδομένα όσον αφορά στην χρήση του υδρογόνου ως καυσίμου, δεδομένων των τιμών των μετάλλων (σίδηρος και νικέλιο έναντι ρουθηνίου, πλατίνας και ιριδίου).

«Αυτή τη στιγμή, στην οικονομία ορυκτών καυσίμων μας, έχουμε αυτό το τεράστιο κίνητρο για να πάμε προς την κατεύθυνση μιας οικονομίας υδρογόνου, έτσι ώστε να μπορούμε να χρησιμοποιούμε υδρογόνο ως μια πηγή καθαρής ενέργειας» λέει ο καθηγητής Ζάο. «Μιλάμε για την οικονομία υδρογόνου εδώ και χρόνια, αλλά αυτή τη φορά φαίνεται πως έρχεται στα αλήθεια».

Πηγές: Xiaohong Xie et al. Electrocatalytic Hydrogen Evolution in Neutral pH Solutions: Dual-Phase Synergy, ACS Catalysis (2019). DOI: 10.1021/acscatal.9b02609 - https://phys.org/news/2019-09-catalyst-outshines-platinum-hydrogen.html - https://www.naftemporiki.gr/story/1543629/fthini-energeia-apo-udrogono-xari-se-nea-methodo-diaspasis-tou-nerou

Μανούσος Φάσσης, «Fair play»

Maurits Cornelis Escher, A meeting, 1944

Τω φίλω Μ. Αν.

Πόσες χιλιάδες ώρες πέρασαν με συνεδρίαση,

σ’ αχτίδες, κόβες και κομματικούς πυρήνες,

στο τέλος πάθαμε χρόνια νικοτινίαση

κι ο πονοκέφαλος ούτε περνούσε μ’ ασπιρίνες.

Μάθαμε απ’ όξω —βασικά— όλα τα προβλήματα

και την αναγκαιότητα της πάλης

και γίναμε τα δαχτυλοδειχτούμενα τα βλήματα

κρατώντας τον Μαρξ -Έγκελς υπό μάλης.

Μέρα τη μέρα θά ’ρχονταν η Επανάσταση

και περιμένοντας πέρασαν χρόνια

κι όμως σ’ το λέγαν οι γονείς σου: «άσ’ τα συ

πάντα θα βρίσκονται στον κόσμο άλλα κωθώνια».

Πάντοτε ο καπιταλισμός βρίσκει περάσματα

και ξεπερνά τις δύσκολες τις κρίσεις.

Κι ένα πρωί: «Απαγορεύονται τα άσματα

και κοπιάστε στο τμήμα γι’ ανακρίσεις».

Τώρα να σπάσεις δεν μπορείς πια, σε χρωμάτισαν

και σ’ έχουν σαν τον ποντικό μέσα στη φάκα

και δεν ξεφεύγεις από του χαφιέ το μάτι σαν

συναναστρέφεσαι τον κάθ’ ένα μαλάκα.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 

Δεν άκουσες ποτέ τη μάνα σου την άγια,

σ’ ενοχλούσε και σένα το κατεστημένο,

δεν είδες γύρω σου χιλιάδες τα ναυάγια

δεν το χαμπάρισες πως το παιχνίδι ήταν στημένο.

David Michael Bowers, It's Coming, 2007

Ο ποιητής Μανούσος Φάσσης, 1987

H ΝΑSA ξαναγράφει την ιστορία των pulsars. NASA’s NICER Delivers Best-ever Pulsar Measurements, 1st Surface Map

Χάρη στο νέο τηλεσκόπιο NICER, που σαρώνει τον ουράνιο θόλο στο φάσμα των ακτίνων Χ, οι επιστήμονες έλαβαν τις πρώτες ακριβείς και αξιόπιστες μετρήσεις του μεγέθους και της μάζας ενός pulsar, καθώς και τον πρώτο χάρτη των θερμών σημείων στην επιφάνεια του. Simulation of a possible quadrupole magnetic field configuration for a pulsar with hot spots in only the southern hemisphere. Credits: NASA's Goddard Space Flight Center

Ένα βήμα πιο κοντά στην αποκωδικοποίηση των μυστηρίων που καλύπτουν τα pulsars, τα υπέρπυκνα στροβλιλιζόμενα απομεινάρια αστέρων που έχουν εκραγεί, βρίσκονται οι αστροφυσικοί. Χάρη στο νέο τηλεσκόπιο NICER, που σαρώνει τον ουράνιο θόλο στο φάσμα των ακτίνων Χ, οι επιστήμονες έλαβαν τις πρώτες ακριβείς και αξιόπιστες μετρήσεις του μεγέθους και της μάζας ενός pulsar, καθώς και τον πρώτο χάρτη των θερμών σημείων στην επιφάνεια του.

NASA’s Neutron star Interior Composition Explorer is an X-ray payload aboard the International Space Station. Credit: NASA

Το ΝISER (Neutron star Interior Composition Explorer) είναι ένα τηλεσκόπιο της ΝΑSA και έχει «φορτωθεί» στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό με ένα και μόνο στόχο: να ρίξει φως στα μυστήρια που περιβάλλουν τα pulsars.

Όταν ένα τεράστιο αστέρι εξαντλεί τα πυρηνικά του καύσιμα, δηλαδή το ήλιο, καταρρέει κάτω από το βάρος του και εκρήγνυται σαν σουπερνόβα. Αυτοί οι αστρικοί θάνατοι αφήνουν πίσω τους μαύρες τρύπες ή άστρα νετρονίων, ανάλογα με το μέγεθος του αστεριού που εξερράγη. Ένα άστρο νετρονίων έχει μάζα μεγαλύτερη από του Ήλιου μας, συμπυκνωμένη σε μια έκταση περίπου όσο το νησί της Ύδρας. Αν θεωρητικά μπορούσαμε να πάρουμε μια κουταλιά από το «έδαφος» ενός άστρου νετρονίων, θα ζύγιζε περισσότερο από 1 δισεκατομμύριο τόνους, περίπου το βάρος του όρους Έβερεστ. Τα Pulsars, είναι μια κατηγορία αστέρων νετρονίων, στροβιλίζονται γύρω από τον άξονά τους εκατοντάδες φορές κάθε δευτερόλεπτο και εκπέμποντας στο διάστημα κατακλυσμιαίες δέσμες με κάθε περιστροφή.

Το τηλεσκόπιο NICER εστίασε στο J0030 + 0451 (J0030 εν συντομία), ένα Pulsar που βρίσκεται σε μια απομονωμένη περιοχή διαστήματος 1.100 έτη φωτός μακριά στον αστερισμό των Ιχθύων και περιστρέφεται 205 φορές ανά δευτερόλεπτο. Κατά τη μέτρηση του J0030  το NICER αποκάλυψε ότι τα σχήματα και οι θέσεις των «θερμών σημείων» στην επιφάνεια του pulsar δεν συνάδουν με τα θεωρητικά μοντέλα που είχαμε αναπτύξει έως τώρα. Και όταν μιλάμε για θερμά σημεία, έχουμε να κάνουμε με περιοχές που έχουν θερμοκρασία εκατομμυρίων βαθμών Κελσίου.

Για δεκαετίες, οι επιστήμονες προσπαθούσαν να εξηγήσουν πώς λειτουργούν τα pulsars. To υφιστάμενο θεωρητικό μοντέλο, προβλέπει ότι pulsars διαθέτουν πανίσχυρο ισχυρό μαγνητικό πεδίο με σχήμα παρόμοιο με ενός απλού μαγνήτη. Το πεδίο είναι τόσο ισχυρό που «κόβει» σωματίδια από την επιφάνεια του puslar και τα επιταχύνει σχεδόν στην ταχύτητα του φωτός. Μερικά σωματίδια ακολουθούν το μαγνητικό πεδίο και προσκρούουν την αντίθετη πλευρά, θερμαίνοντας την επιφάνεια και δημιουργώντας θερμά σημεία στους μαγνητικούς πόλους. Ολόκληρο το pulsar λάμπει ελαφρά στο φάσμα των ακτίνων X, αλλά τα θερμά σημεία είναι φωτεινότερα. Καθώς το pulsar περιστρέφεται, αυτές οι κηλίδες σαρώνουν τον ουράνιο θόλο, όπως οι φωτεινές δέσμες ενός φάρου, δημιουργώντας διακυμάνσεις στη φωτεινότητα των ακτίνων Χ του αντικειμένου.

Watch how NASA’s Neutron star Interior Composition Explorer (NICER) has expanded our understanding of pulsars, the dense, spinning corpses of exploded stars. Pulsar J0030+0451, located 1,100 light-years away in the constellation Pisces, now has the most precise and reliable size measurements of any pulsar to date. The shapes and locations of its hot spots challenge textbook depictions of these incredible objects. Credits: NASA's Goddard Space Flight Center

Αλλά οι νέες παρατηρήσεις του NICER δείχνουν ότι το θεωρητικό μοντέλο έχει ατέλειες, σύμφωνα με τους ερευνητές της NASA, καθώς τα «θερμά σημεία» εμφανίστηκαν σε περιοχές που δεν θα έπρεπε κανονικά. Πόσο θεμελιώδεις είναι αυτές οι ατέλειες; Αυτό μένει να αποδειχθεί αφού ο όγκος των στοιχείων που συγκεντρώθηκαν από τις παρατηρήσεις του NICER απαιτεί επεξεργασία και προσομοιώσεις ετών, για να καταλήξουμε σε ασφαλή συμπεράσματα.

Σε κάθε περίπτωση, η αλήθεια είναι κάπου εκεί έξω. Και μάλλον είναι πιο περίπλοκη απ’ όσο πιστεύαμε.

Πηγές: https://www.nasa.gov/feature/goddard/2019/nasa-s-nicer-delivers-best-ever-pulsar-measurements-1st-surface-map - https://www.liberal.gr/technology/H-naSA-xanagrafei-tin-istoria-ton-pulsars/278089 

Νέες ελπίδες για την ανίχνευση σκοτεινής ύλης στο κέντρο του Γαλαξία μας. New Hope for Milky Way Dark Matter

H αποκαλούμενη περίσσεια ακτινοβολίας γάμμα που εκπέμπεται από τον πυρήνα του γαλαξία μας μπορεί να οφείλεται στην σκοτεινή ύλη. The so-called gamma-ray excess that radiates from the core of our Galaxy might be from dark matter after all. Milky Way’s center produces more high-energy gamma rays than can be explained by known sources. This image shows the Milky Way in visible light and a gamma-ray map from NASA’s Fermi Gamma-ray Space Telescope. Image credit: NASA’s Goddard Space Flight Center / A. Mellinger, Central Michigan University / T. Linden, University of Chicago.

Οι ακτίνες γάμμα που εκπέμπονται από την καρδιά του Γαλαξία μας έχουν τελικά σχέση με την σκοτεινή ύλη;

A map of gamma ray emissions throughout the Milky Way galaxy, based on observations from the Fermi Gamma-ray Space Telescope. The inset depicts the Galactic Center Excess – an unexpected, spherical region of gamma-ray emissions at the center of our galaxy, of unknown origin. Credit: NASA/T. Linden, U. Chicago

Το 2009, το διαστημικό τηλεσκόπιο ακτίνων γάμμα Fermi ανίχνευσε μια περίσσεια ακτινοβολίας γάμμα προερχόμενη από το κέντρο του Γαλαξία μας, την οποία οι φυσικοί απέδωσαν στην εξαύλωση σωματιδίων σκοτεινής ύλης (εάν δύο σωματίδια της σκοτεινής ύλης συγκρουστούν θα μπορούσαν να εξαϋλωθούν σε δυο φωτόνια ή σε ένα φωτόνιο και ένα άλλο ουδέτερο σωματίδιο). Όμως, μερικά χρόνια αργότερα (το 2016), η ακτινοβολία αυτή αποδόθηκε στα πάλσαρ.

Χτες δημοσιεύθηκε νέα μελέτη των ερευνητριών Rebecca Leane και Tracy Slatyer, η οποία δείχνει πως υπάρχει ένα πρόβλημα στην ανάλυση των πάλσαρ και ότι η συνεισφορά της σκοτεινής ύλης δεν μπορεί να αποκλειστεί.

Studies by two independent groups from the US and the Netherlands indicate that the observed excess of gamma rays from the inner galaxy likely comes from a new source rather than from dark matter. The best candidates are rapidly rotating neutron stars, which will be prime targets for future searches. The Princeton/MIT group and the Netherlands-based group used two different techniques, non-Poissonian noise and wavelet transformation, respectively, to independently determine that the gamma ray signals were not due to dark matter annihilation. Image credit: Christoph Weniger, UvA. © UvA/Princeton.

Το 2016, ερευνητές των πανεπιστημίων MIT και Princeton, μεταξύ αυτών και η Tracy Slatyer, υποστήριξε ότι οι ακτίνες γάμμα από τα πάλσαρ και εκείνες που διαχέονται εξαιτίας της σκοτεινής ύλης, θα έπρεπε να αποτυπώνονται διαφορετικά στις φωτογραφίες του διαστημικού τηλεσκοπίου. Προσομοιώνοντας τις εκπομπές γάμμα από τέτοιου είδους πηγές, συμπέραναν ότι οι τα εκπεμπόμενα φωτόνια από τα πάλσαρ πρέπει να σχηματίζουν στις φωτογραφίες έντονες κηλίδες με σκοτεινά κενά μεταξύ τους, ενώ οι παραγόμενες σε μια σφαιρική περιοχή ακτίνες γάμμα εξαιτίας της σκοτεινή ύλης θα παρήγαγαν μια ομαλά μεταβαλλόμενη λάμψη. Η σύγκριση με τις καταγραφείσες εικόνες του διαστημικού τηλεσκοπίου Fermi έδειξε πως η περίσσεια της ακτινοβολίας γάμμα ευνοεί την ερμηνεία των πάλσαρ.

Στη νέα δημοσίευση οι Leane και Slatyer ισχυρίζονται πως ίσως δεν είναι ακριβώς έτσι τα πράγματα! Και τούτο γιατί εισάγοντας ένα ψεύτικο σήμα στα δεδομένα του Fermi, έδειξαν ότι ένα σήμα σκοτεινής ύλης θα χαθεί αν υπάρχουν σημειακές πηγές, τέτοιες όπως συγκεντρώσεις θερμού αερίου – μια κατηγορία αντικειμένων που αγνοήθηκαν στην αρχική μελέτη. Ακόμα και όταν το σήμα της σκοτεινής ύλης ήταν τέσσερις φορές ισχυρότερο από την πραγματική περίσσεια ακτίνων γάμμα, το σήμα χανόταν.

Eπομένως, ένα πραγματικό σήμα σκοτεινής ύλης πιθανώς εξακολουθεί να παραμονεύει στα δεδομένα του τηλεσκοπίου Fermi. Οι Leane και Slatyer ελπίζουν ότι οι βελτιώσεις των αλγορίθμων της ανάλυσης και οι προσεχείς παρατηρήσεις θα δώσουν οριστική απάντηση σ’ αυτό το πρόβλημα.

Πηγές: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.241101 - http://www.sci-news.com/astronomy/annihilating-dark-matter-milky-ways-center-07900.html - https://physicsgg.me/2019/12/12/

Συχνό, αλλά λιγοστό το νερό στις ατμόσφαιρες των εξωπλανητών. Water common – yet scarce – in exoplanets

Οι υδρατμοί είναι συχνοί στις ατμόσφαιρες πολλών εξωπλανητών, όμως σε ποσότητες πολύ χαμηλότερες του αναμενομένου. Αυτό είναι το βασικό συμπέρασμα της μεγαλύτερης μέχρι σήμερα ανάλυσης της χημικής σύστασης των ατμοσφαιρών των πλανητών πέρα από το ηλιακό σύστημα μας. The most extensive survey of atmospheric chemical compositions of exoplanets to date has revealed trends that challenge current theories of planet formation and has implications for the search for water in the solar system and beyond. Artist's impression of gas giant exoplanet. Credit: Amanda Smith

Οι ερευνητές, με επικεφαλής τον δρα Νίκου Μαντουσουντάν του Ινστιτούτου Αστρονομίας του Πανεπιστημίου του Κέιμπριτζ, που έκαναν τη σχετική δημοσίευση στο περιοδικό αστροφυσικής «The Astrophysical Journal Letters», μελέτησαν ατμοσφαιρικά δεδομένα από διαστημικά και επίγεια τηλεσκόπια, που αφορούσαν 19 εξωπλανήτες διαφόρων διαστάσεων και θερμοκρασιών, από «μίνι-Ποσειδώνες» (με μάζες σχεδόν δεκαπλάσιες της Γης) μέχρι «υπερ-Δίες» (με μάζα τουλάχιστον 600 φορές μεγαλύτερη της Γης), καθώς επίσης με θερμοκρασίες από 20 έως πάνω από 2.000 βαθμούς Κελσίου.

Διαπιστώθηκε ότι, όπως στους γιγάντιους πλανήτες του δικού μας ηλιακού συστήματος, οι ατμόσφαιρες των εξωπλανητών είναι πλούσιες σε υδρογόνο. Άλλα χημικά στοιχεία, όπως το οξυγόνο (το τρίτο σε αφθονία στοιχείο στο σύμπαν μετά το υδρογόνο και το ήλιο) βρίσκονται επίσης σε αναμενόμενες ποσότητες στους εξωπλανήτες. Όμως το νερό, που περιέχει οξυγόνο, δεν φαίνεται να υπάρχει σε παρόμοια αναλογία, με βάση τις μικρές ποσότητες των υδρατμών που έχουν ανιχνευθεί έως τώρα.

Η νέα μελέτη βρήκε υδρατμούς στις ατμόσφαιρες των 14 από τους 19 εξωπλανήτες που εξέτασε. «Είναι όμως απίστευτο πόσο χαμηλές είναι οι συγκεντρώσεις νερού στις ατμόσφαιρες πολύ διαφορετικών εξωπλανητών. Δεδομένου ότι το νερό αποτελεί συστατικό-κλειδί για τη ζωή στη Γη, είναι σημαντικό να γνωρίζουμε πόσο νερό μπορεί να βρεθεί στα πλανητικά συστήματα πέρα από το δικό μας», δήλωσε ο Μαντουσουντάν.

Πηγές: L. Welbanks, N. Madhusudhan, N. Allard, et al. ‘Mass-Metallicity Trends in Transiting Exoplanets from Atmospheric Abundances of H₂O, Na, and K.’ The Astrophysical Journal Letters (2019). DOI: 10.3847/2041-8213/ab5a89 - https://www.cam.ac.uk/research/news/water-common-yet-scarce-in-exoplanets -  https://www.amna.gr/home/article/414916/Suchno–alla-ligosto-to-nero-stis-atmosfaires-ton-exoplaniton-pou-echoun-anakalufthei-eos-tora

Πιγκουίνοι σε ανθρώπινο μέγεθος «κυβερνούσαν» τη Γη μετά τους δεινόσαυρους. When penguins ruled after dinosaurs died

Οι πιγκουίνοι κάποτε κυριάρχησαν πάνω στη Γη. Illustration of the newly described Kupoupou stilwelli by Jacob Blokland, Flinders University. Credit: Jacob Blokland, Flinders University

Ποιος θα μπορούσε να φανταστεί ότι υπήρξαν πιγκουίνοι στο μέγεθος ενός ανθρώπου; Κι όμως νέα έρευνα αποκαλύπτει πως υπήρξαν και μάλιστα κυριάρχησαν πάνω στη Γη μετά την εξαφάνιση των δεινοσαύρων.

Εικάζεται πως πρόκειται για το παλαιότερο είδος πιγκουίνου και έζησε πριν από περίπου 60 εκατομμύρια χρόνια.

Η ζωή ήταν πολύ καλύτερη για τους πιγκουίνους τότε, όπως δείχνει η ανάλυση των απολιθωμάτων που βρέθηκαν σε απομακρυσμένα νησιά έχει δείξει.

This illustration shows how large the monster penguins might have been (Image: Canterbury Museum)

Συγκεκριμένα, ζούσαν σε θερμές θάλασσες σε μια εποχή που τα νερά γύρω από τη Νέα Ζηλανδία ήταν τροπικά ή υποτροπικά, ενώ το μέγεθός τους ήταν τεράστιο.

Οι ερευνητές ανακάλυψαν νέα στοιχεία για τη βασιλεία των πλασμάτων αυτών στα μακρινά νησιά Chatham στο νότιο Ειρηνικό.

Κατά τη διάρκεια λοιπόν της έρευνας βρέθηκε αυτό το είδος το οποίο μέχρι σήμερα αγνοούσαν οι επιστήμονες και ονομάστηκε «Κούπουπου στιλβέλι» (Kupoupou stilwelli).

Πηγές: Chatham Island Paleocene fossils provide insight into the palaeobiology, evolution, and diversity of early penguins (Aves, Sphenisciformes), Palaeontologia Electronica 22.3.78 1-92 doi.org/10.26879/1009 - https://phys.org/news/2019-12-penguins-dinosaurs-died.html - http://www.gazzetta.gr/plus/article/1423780/pigkoyinoi-se-anthropino-megethos-kyvernoysan-ti-gi-meta-toys-deinosayroys

Από το «Διαδίκτυο των Πραγμάτων» στο «DNA των Πραγμάτων». Storing data in everyday objects

Ερευνητές από την Ελβετία και το Ισραήλ βρήκαν μια πρωτοποριακή μέθοδο να αποθηκεύουν πληροφορίες σχεδόν σε κάθε αντικείμενο, έτσι ώστε αυτό να μπορεί να αναπαραχθεί πολλές φορές με βάση τις οδηγίες που φέρει το ίδιο στο εσωτερικό του. Ο τρόπος αποθήκευσης της πληροφορίας είναι ίδιος όπως στα έμβια όντα: στα μόρια του DNA. Δημιουργούνται έτσι πράγματα που έχουν τη δική τους μνήμη συνθετικού DNA. A research team with members from ETH Zurich has discovered a new method for turning nearly any object into a data storage unit. This makes it possible to save extensive data in, say, shirt buttons, water bottles or even the lenses of glasses, and then retrieve it years later. The technique also allows users to hide information and store it for later generations. It uses DNA as the storage medium. A 3D-​printed plastic rabbit. The plastic contains DNA molecules in which the printing instructions have been encoded. (Photograph: ETH Zurich / Julian Koch)

Μέχρι σήμερα είχε καταστεί εφικτό να αποθηκεύονται τεράστιοι όγκοι δεδομένων όχι σε σκληρούς δίσκους ή σε άλλα μαγνητικά μέσα που έχουν ημερομηνία λήξης, αλλά στο βιολογικό μόριο του DNA, το οποίο έχει προταθεί ως η λύση για την μακρόχρονη αποθήκευση πολύτιμων δεδομένων. Η νέα τεχνική αποθήκευσης σε συνθετικό DNA ανοίγει νέες δυνατότητες, που μπορούν μελλοντικά να επεκτείνουν το Διαδίκτυο των Πραγμάτων στο DNA των Πραγμάτων.

Τα ζωντανά όντα περιέχουν στο DNA τους τις πληροφορίες για τη δημιουργία και τη λειτουργία τους. Αυτό δεν συμβαίνει στα υλικά αντικείμενα, συνεπώς οποιοσδήποτε θέλει π.χ. να εκτυπώσει τρισδιάστατα ένα πράγμα, πρέπει επίσης να διαθέτει ξεχωριστά σε ψηφιακή μορφή και τις κατάλληλες οδηγίες. Αν κανείς χρειαστεί να τυπώσει το ίδιο αντικείμενο μετά από χρόνια, θα πρέπει να έχει πρόσβαση στις αρχικές ψηφιακές πληροφορίες, καθώς το ίδιο το αντικείμενο δεν αποθηκεύει τις οδηγίες για την εκτύπωση του.

ETH Zurich researchers and an Israeli scientist have discovered a new method for turning nearly any object into a data storage unit. This makes it possible to save extensive data in, say, shirt buttons, water bottles or even the lenses of glasses, and then retrieve it years later. The technique also allows users to hide information and store it for later generations. It uses DNA as the storage medium. Credit: ETH Zürich

Τώρα, για πρώτη φορά στον κόσμο, οι ερευνητές, με επικεφαλής τον καθηγητή Ρόμπερτ Γκρας του Τμήματος Χημείας και Εφαρμοσμένων Βιοεπιστημών του Ελβετικού Ομοσπονδιακού Ινστιτούτου Τεχνολογίας (ΕΤΗ) της Ζυρίχης, που έκαναν τη σχετική δημοσίευση στο περιοδικό βιοτεχνολογίας «Nature Biotechnology», κατάφεραν να αποθηκεύουν τις πληροφορίες μέσα στο ίδιο το αντικείμενο.

«Με αυτή τη μέθοδο, μπορούμε να ενσωματώσουμε οδηγίες τρισδιάστατης εκτύπωσης μέσα σε ένα αντικείμενο, έτσι ώστε μετά από δεκαετίες ή ακόμη και αιώνες να είναι δυνατό να ανακτηθούν αυτές οι πληροφορίες άμεσα από το ίδιο το αντικείμενο», δήλωσε ο Γκρας.

Ενδεικτικά, οι ερευνητές παρήγαν από τρισδιάστατο εκτυπωτή ένα πλαστικό κουνέλι, το οποίο περιέχει μέσα του τις οδηγίες για την εκτύπωση του (περίπου 100 kilobytes δεδομένων). Το πέτυχαν αυτό, προσθέτοντας στο πλαστικό μικροσκοπικά γυάλινα σφαιρίδια που περιείχαν συνθετικό DNA.

«Έτσι, όπως τα πραγματικά κουνέλια, το δικό μας πλαστικό κουνέλι περιέχει επίσης τις δικές του οδηγίες για την αναπαραγωγή του», δήλωσε ο Γκρας. Και όπως στα έμβια όντα, η νέα τεχνολογία διατηρεί αυτές τις πληροφορίες για αρκετές γενιές, οπότε αρκεί να ανακτηθούν οι πληροφορίες από το πλαστικό κουνέλι, ώστε να παραχθεί ένα καινούριο. Οι ερευνητές επανέλαβαν τη διαδικασία για πέντε διαδοχικές γενιές πλαστικών κουνελιών, χωρίς την παραμικρή απώλεια ή σφάλμα των δεδομένων, ακόμη και όταν είχαν περάσει εννέα μήνες από την προηγούμενη «αναπαραγωγή».

«Το DNA είναι σήμερα το μόνο αποθηκευτικό μέσο που μπορεί να υπάρξει και σε υγρή μορφή, πράγμα που μας επιτρέπει να το εισάγουμε σε αντικείμενα οποιουδήποτε σχήματος», ανέφερε ο Ισραηλινός επιστήμονας της πληροφορικής Γιανίβ Έρλιχ.

The lenses in ETH doctoral student Julian Koch’s glasses contain a short video. (Photograph: ETH Zurich / Jonathan Venetz)

Μια πρόσθετη εφαρμογή της νέας τεχνολογίας είναι όχι η αποθήκευση, αλλά η απόκρυψη πληροφοριών μέσα σε αντικείμενα (στεγανογραφία). Οι ερευνητές έδειξαν ότι είναι δυνατή, εφαρμόζοντας την σε ένα μυστικό αρχείο που είχε διασώσει από το γκέτο της Βαρσοβίας ένας Εβραίος ιστορικός για μην πέσει στα χέρια των Ναζί. Το κείμενο ψηφιοποιήθηκε και αποθηκεύτηκε (1,4 megabytes) σε γυάλινα σφαιρίδια, τα οποία μετά ενσωματώθηκαν στους φακούς κοινών γυαλιών μυωπίας. Στη συνέχεια ήταν δυνατή η ανάκτηση αυτών των κρυμμένων πληροφοριών.

«Δεν θα υπήρχε κανένα πρόβλημα να περάσεις ένα τέτοιο ζευγάρι γυαλιά από τους ελέγχους ασφαλείας των αεροδρομίων και έτσι να μεταφέρεις πληροφορίες από το μέρος στο άλλο χωρίς να γίνεις αντιληπτός», ανέφερε ο Έρλιχ, που έχει δημιουργήσει την εταιρεία Yaniv Erlich Lab LLC. Οι πληροφορίες μπορούν να κρυφτούν θεωρητικά σε οποιοδήποτε πλαστικό αντικείμενο.

Ακόμη, με τη νέα τεχνολογία είναι δυνατό να ενσωματωθούν πληροφορίες σχετικά με την ποιότητα τους μέσα σε κατασκευαστικά υλικά, χρώματα και άλλα προϊόντα, έτσι ώστε να ανακτώνται άμεσα από τις αρμόδιες αρχές ή κάθε άλλο ενδιαφερόμενο κατά τον έλεγχο του αντικειμένου.

Προς το παρόν, η μέθοδος είναι σχετικά ακριβή, καθώς η «μετάφραση» ενός ψηφιακού αρχείου (π.χ. οδηγιών για 3D-εκτύπωση) και η αποθήκευση του σε συνθετικά μόρια DNA μέσα στο αντικείμενο κοστίζει περίπου 2.000 ελβετικά φράγκα.

Πηγές: Koch J, Gantenbein S, Masania K, Stark WJ, Erlich Y, Grass RN: A DNA-​of-things storage architecture to create materials with embedded memory. Nature Biotechnology, 9 December 2019, doi: 10.1038/s41587-​019-0356-z - https://ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2019/12/dna-of-things-storing-data-in-everyday-objects.html - https://www.amna.gr/home/article/414441/Apo-to-Diadiktuo-ton-Pragmaton-sto-DNA-ton-Pragmaton