برترین نوآوری های سال 2021 در زمینه مهندسی

با پیشرفت تکنولوژی، زندگی بشر دستخوش تغییرات زیادی شده و زندگی بدون تکنولوژی عملا غیر ممکن شده است. در اینجا برترین نوآوری های سال 2021 در زمینه مهندسی برای کاهش آلودگی های محیط زیست و مقابله با بحران آب و هوا بررسی شده است.

پنجشنبه، 2 دی 1400

تخمین زمان مطالعه:

مترجم : زهرا حاجی احمدی

موارد بیشتر برای شما

از سیل های مرگبار در کوئینز، نیویورک، تا یخ زدگی عمیق در تگزاس، بحران آب و هوا در جهان آسیب های زیادی می زند. نوآوری های مهندسی برتر امسال نشان دهنده این آگاهی رو به رشد است که صنایع مهمی مانند ساخت و ساز و کشتیرانی دیگر نمی توانند مانند همیشه تجارت کنند. این نوآوری های برتر به برخی از سوالات مهم در مورد آینده یک سیاره در حال سوختن پاسخ می دهند.

برنده جایزه بزرگ: فولادی با ردپای کمتر از کربن

فولادسازی بین هفت تا نه درصد از انتشار کربن در جهان را به همراه دارد که بیشتر به دلیل نوعی زغال سنگ فرآوری شده خاص به نام «کک» است. در دماهای بالای 3000 درجه فارنهایت، کک با اکسیژن موجود در سنگ آهن واکنش می دهد و فلز را به شکلی که برای ساختن فولاد لازم است خالص می کند، اما در این فرآیند دی اکسید کربن را منتشر می کند. برای کاهش اثرات سو این پدیده، یک کنسرسیوم صنعتی سوئدی به نام هیبریت (Hybrit) را توسعه داد، فولادی که تولید آن به جای کربن از هیدروژن برای تبدیل سنگ آهن استفاده می کند. هیدروژن آزاد شده از آب، با اکسیژن موجود در سنگ معدن در ماشینی به نام کوره شفت که با انرژی باد بدون فسیل و انرژی آبی تا دمای 1500 فارنهایت گرم می شود، واکنش نشان می دهد. این طرح به جای دی اکسید کربن، هیدروژن و آب آزاد می کند و "آهن اسفنجی" حاصل در یک کوره قوس الکتریکی با مقدار کمی کربن ذوب می شود تا فولاد ایجاد شود. این فرآیند کمتر از ۲ درصد انتشار دی‌اکسید کربن از رژیم استاندارد با سوخت کک دارد. تابستان گذشته، ولوو اولین دسته از این "فولاد سبز" را تحویل گرفت و از آن برای ساخت خودروی معدنی استفاده نمود.

راهی تمیزتر برای حمل و نقل دریایی

کشتی‌های کانتینری اقتصاد کشورها را از کالاهای مصرفی ارزان تغذیه می‌کنند، اما تقریباً سه درصد از انتشار دی اکسید کربن در جهان را ایجاد می‌کنند. باتری‌های الکتریکی آنقدر چگالی انرژی ندارند که به طور موثر کشتی‌های عظیم را تغذیه کنند و غوطه‌ور شدن شارژرها در وسط اقیانوس تقریباً غیرممکن است. امسال، سازنده موتور فنلاندی Wärtsilä با غول لجستیک نروژی Grieg همکاری کرد تا روی آمونیاک بدون کربن برای به حرکت درآوردن کشتی‌های آینده شرط‌بندی کند. مهندسان با استفاده از یک مزرعه بادی نروژی از الکترولیز برای تولید گاز هیدروژن استفاده می کنند که با نیتروژن در کارخانه واکنش می دهد و آمونیاک ایجاد می نماید. Wärtsilä قبلاً موتوری را تکمیل کرده بود که ترکیبی از 70 درصد آمونیاک را می سوزاند و در حال برنامه ریزی یک نسخه آمونیاک خالص برای استقرار در یک نفتکش در سال 2024 است.

مزرعه پایدار غذای دریایی در مرکز شهر

تقاضای جهانی برای میگوهای پرورشی از سال 1980 حدود 4/3 میلیون هکتار از جنگل های حرا را نابود کرده است که بیشتر در جنوب شرقی آسیا بوده است. این صنعت باعث شیوع بیماری و آبراه های خفه شده با زباله شده است. مدل "اقیانوس های عمودی" کل عملیات را در داخل فاضهای سربسته انجام می دهد. صدف‌ها در تانک‌های مدولار به اندازه اتوبوس مدرسه زندگی می‌کنند و جلبک‌ها، خزه های دریایی و ماهی‌هایی که از کف تغذیه می‌کنند زباله‌ها را فیلتر می‌کنند. به این ترتیب نزدیک به 100 درصد آب به گردش در می آید و نیازی به فاضلاب نیست. یک نمونه اولیه در سنگاپور امسال ده برداشت میگو تحویل داد که در مجموع بیش از یک تن سخت پوستان بود.

پلی که عیب های خود را شناسایی می نماید

چشم های روباتی به طور مداوم حتی کوچکترین نقص را در پل سن جورجیو جنوا بررسی می کند. هنوز کاملاً مشخص نیست که چه چیزی باعث فروریختن پل جنوا در ایتالیا در سال 2018 که منجر به کشته شدن 43 نفر شد. کارشناسان بر این باورند که بارهای ترافیکی سنگین و خوردگی ناشی از هوای شور، آلودگی کارخانه‌ها و آب‌های رودخانه‌ای که بالا می‌آیند، همگی در فروریخات این پل نقش داشته اند. بنابراین پس از اینکه معمار متولد جنوا (رنزو پیانو) جایگزینی را طراحی کرد، انواع ویژگی‌های سنجش خودکار برای تشخیص عیوب به پل اضافه شد. یک جفت ربات بازرسی دو تنی پل را روی یک مسیر کامپوزیت کربنی طی می کنند و هر هشت ساعت 25000 عکس از زیر شاسی می گیرند که به نرم افزار بینایی ماشین اجازه می دهد هر گونه ناهنجاری را تشخیص دهد. پنل های خورشیدی 95 درصد از انرژی مورد نیاز پل را برآورده می کنند، از جمله برای روشنایی و حسگرهایی که انبساط خطرناک فلزات مفصلی را بررسی می کنند.

اولین ترن هوایی شناور

ترن هوایی معمولی از گرانش استفاده می‌کند تا جویندگان هیجان را به به اوج هیجان برساند. ترن هوایی BOLT Carnival Cruise Line از برق استفاده می کند تا خودروهای شبیه موتورسیکلت خود را در یک مسیر طولانی و پر پیچ و خم تامین کند. سواران سرعت را تا 40 مایل در ساعت کنترل می کنند و 187 فوت بالاتر از سطح دریا حرکت می کنند. استفاده از موتور برای نیروی محرکه، به جای سقوط آزاد تند، از رسیدن تجربه به سرعت های نا امن جلوگیری می کند.

باتری هایی که می توانند برق کثیف را منسوخ کنند

باتری های جدید یک جایگزین مناسب برای باتری‌های گران قیمت هستند. برای حفظ سیستم های کاملاً تجدیدپذیر، شرکت‌های برق به باتری‌های بزرگ و ارزان قیمت نیاز دارند تا زمانی که باد نمی‌وزد یا خورشید نمی‌تابد، اوج تقاضا را برآورده کنند. اما سلول های لیتیوم یونی در لپ تاپ ها و خودروهای برقی گران قیمت هستند. بنابراین Form Energy پیشگام یک شیمی باتری جدید و بسیار کارآمد است که بر اساس یکی از فراوان ترین فلزات در زمین به نام آهن است. نمونه اولیه "Big Jim" این شرکت، الکترون ها را با واکنش اکسیژن محیط با آهن تخلیه می کند و زنگ زدگی ایجاد می کند. جریان الکتریکی ورودی زنگ را دوباره به آهن تبدیل می کند، سپس اکسیژن آزاد شده و باتری را شارژ می نماید. مهندسان محیط زیست می گویند باتری با قیمت 20 دلار در هر کیلووات ساعت، عدد جادویی برای شرکت های برق برای خداحافظی با زغال سنگ و گاز طبیعی است، جایی که Form Energy امیدوار است محصول نهایی Big Jim را قیمت گذاری کند.

هوش مصنوعی که ساختار سه بعدی پروتئین ها را پیش بینی می نماید

مهندسان زیستی و پزشکان اکنون می‌توانند ساختار واقعی هزاران پروتئین DNA انسان را ببینند. قبل از 2021، علم از شکل سه‌بعدی دقیق تنها 17 درصد از پروتئین‌های بدن انسان آگاهی داشت. پروتئین ها اجزای ضروری زندگی هستندکه مسئول همه چیز از نگهداری تا نابودی سلول هستند. بنابراین، شناسایی ساختار سه بعدی آن ها در درک عمکلرد آن ها ضروری است. درک اینکه چگونه این زنجیره‌های آمینو اسیدها خود را به شکل‌های منحصربه‌فرد تبدیل می‌کنند، برای 50 سال چیزی شبیه جام مقدس بوده است. AlphaFold، یک الگوریتم یادگیری ماشینی، اکنون ساختار بیش از 98 درصد از 20000 پروتئین موجود در بدن انسان را شکسته است و 36 درصد از پیش‌بینی‌های آن تا سطح اتمی دقیق است. DeepMind کد منبع و پایگاه داده‌های پیش‌بینی‌های خود را در دسترس عمومی قرار داده است، و فرصت‌های جدیدی را برای کسانی که داروهای جدید تولید می‌کنند، پزشکانی که تلاش می‌کنند بازدارنده‌هایی برای جهش‌های بیماری‌زا ایجاد کنند، یا طراحانی که مواد جدید تولید می‌کنند، را فراهم کرده است.

استفاده از آسمان به عنوان تهویه مطبوع

سیستم های تهویه مطبوع و فن ها در حال حاضر 10 درصد از برق جهان را مصرف می کنند و پیش بینی می شود که استفاده از AC تا سال 2050 سه برابر شود و انرژی بیشتری جذب کند و گرما را به طبیعت اطراف بازگرداند. SkyCool در حال شکستن این حلقه بازخورد خطرناک با فناوری نانو پشت بام است که نور را منعکس می کند. این پانل‌های آلومینیومی که با لایه‌های متعددی از فیلم‌های نوری پوشانده شده‌اند، تشعشعات را در طول موج‌های بین ۸ تا ۱۳ میکرومتر منعکس می‌کنند. این طول موج نقطه خاصی است که به امواج اجازه می‌دهد از جو زمین عبور و به فضا بروند. با انجام این کار، دمای پانل تا 15 درجه فارنهایت کاهش می یابد و خنک کننده بدون انتشار را به سیستم های موجود ساختمان ارائه می دهد. نمونه اولیه ای که پاییز سال گذشته روی یک فروشگاه مواد غذایی در استاکتون کالیفرنیا نصب شد، لوله های آب را در زیر پانل ها خنک کرد تا سیستم تبرید فروشگاه را خنک کند و سالانه 6000 دلار در قبض برق صرفه جویی کرد.

یک جفت دست رباتیک برای گذاشتن مواد منفجره

دست رباتیک Avatel به معدنچیان اجازه می دهد تا کار خود را با کاهش جدی خطر ایمنی انجام دهند. استخراج معادن یکی از خطرناک ترین صنایع جهان است اما کسانی که مجبور به انفجار تونل ها هستند آسیب پذیرتر هستند ( نه لزوماً در برابر مواد منفجره، بلکه در اثر فعالیت های لرزه ای یا ریزش سنگ که در هنگام قرار دادن مواد منفجره در محل رخ می دهد). ربات آواتل مانند یک نسخه جامبو از پاور لودر ریپلی از Aliens، به یک کارمند اجازه می دهد تا مواد انفجاری را برای دسترسی به طلا، مس و سنگ آهن قرار دهد. از داخل یک کابین محافظت شده، معدنچی یک جفت بازو را برای قرار دادن مواد منفجره دستکاری می کند، در حالیکه مهندسان و زمین شناسان در اتاق کنترل از راه دور با تغییر شرایط، توصیه های لحظه ای را به او ارائه می دهند. پس از تنظیم شارژ، راننده آواتل را کاملاً حرکت می دهد و به صورت بی سیم سیگنالی برای انفجار ارسال می کند.

ردیابی بهینه طوفان

طوفان‌ها بدتر و شدیدتر می‌شوند، اما فناوری های ردیابی طوفان در حال بهتر شدن هستند. برای درک چگونگی تشدید طوفان‌ها و پیش‌بینی بهتر بلایای آینده، دانشمندان به داده‌هایی درباره فشار هوا، دمای هوا و آب، رطوبت و شرایط باد در داخل یک طوفان خروشان نیاز دارند. ربات 23 فوتی خودران Saidrone که توسط خورشید و باد نیرو می گیرد، اولین وسیله نقلیه روباتیکی بود که در سپتامبر گذشته در مرکز یک طوفان حرکت کرد، زمانیکه وارد طوفان رده 4 سام شد. ربات Saildrone با کوتاه شدن بال ابزار خود برای تحمل بهتر شرایط شدید، اولین فیلم و خوانش در نوع خود را ارائه داد (همه اطلاعات در میان بادهایی با سرعت 120 مایل در ساعت).آزمایشگاه‌های سراسر کشور در حال حاضر این چاقوی شناور سوئیسی را که داده‌های موجود در تصاویر ماهواره‌ای از سطح اقیانوس را ارائه می‌دهد، به کار می‌دهند: ناسا برای تقویت خوانش‌های ماهواره‌ای ناقص و مطالعه تغییرات آب و هوا و همچنین NOAA از این دستگاه برای بررسی سلامت پولاک آلاسکا استفاده می کنند.