Anmerkung der Redaktion:
Bei der Planung von F&E- und innovationsbezogenen Maßnahmen ist es besonders wichtig, über technologische Durchbrüche auf dem Laufenden zu bleiben, die erhebliche Auswirkungen auf die globale Technologie- und Wirtschaftsentwicklung haben können. Die Europäische Kommission (EUROPÄISCHE KOMMISSION) hat den Bericht „100 radikale Innovationsdurchbrüche für die Zukunft“ ( 100 radikale Innovationsdurchbrüche für die Zukunft ) veröffentlicht, der eine strategische Ressource für alle bietet, die sich mit der Entscheidungsfindung in Wissenschaft, Technologie und Innovation befassen. Der Bericht untersucht 100 disruptive Technologien, die erhebliche Auswirkungen auf die Weltwirtschaft haben können, und zwar durch groß angelegtes Text-Mining der neuesten wissenschaftlichen und technologischen Literatur, kombiniert mit Expertenberatung und -bewertung, und bietet eine Referenz für die möglichen Prioritäten der künftigen Forschung der EU und Innovationspolitik. Dieser Artikel fasst seinen Hauptinhalt zusammen.
1. Künstliche Intelligenz und Roboter
2. Mensch-Maschine-Interaktion und Bionik
3. Elektronik und Informatik
36. Quantenkryptographie
Unabhängig davon, ob es sich um persönliche Kommunikation, E-Commerce oder Online-Banking-Transaktionen handelt, müssen vertrauliche Informationen, die über das Internet ausgetauscht werden, durch Verschlüsselung mithilfe digitaler Passwörter, sogenannter Schlüssel, vor Hackerangriffen geschützt werden. Das Herzstück der Quantenkryptographie ist die Quantenschlüsselverteilung, bei der Quantenteilchen (Elektronen, Photonen) verwendet werden, um gemeinsame Schlüssel zwischen zwei Parteien sicher zu etablieren. Quantenschlüsselverteilungssysteme nutzen ein grundlegendes Prinzip der Quantenmechanik: Die Beobachtung eines Quantenteilchens ändert automatisch seine Eigenschaften. Daher ist es jederzeit möglich zu erkennen, ob ein Quantenteilchen beobachtet wurde, das auf eine Sicherheitsverletzung hinweist. In diesem Fall wird der Schlüssel verworfen und ein anderer Schlüssel gesendet, bis beide Parteien sicher sind, dass niemand anderes den Schlüssel beobachtet hat.
Im September 2017 gelang Wissenschaftlern ein technologischer Meilenstein, als sie die weltweit erste interkontinentale Videokonferenz mit Quantenverschlüsselung zwischen Peking und Wien demonstrierten. Bisher war die Quantenkommunikation aus technischen Gründen auf wenige hundert Kilometer begrenzt, doch mit dem Start des chinesischen Satelliten „Mozi“ im Jahr 2016 wurde diese Beschränkung durchbrochen. Shanghai und 2.000 Kilometer entfernte Gebiete sind mit Glasfaserkommunikationsgeräten ausgestattet, um mit der Umlaufbahn von mehr als 500 Kilometern auf der Erde zu kommunizieren. Diese Infrastruktur ist das weltweit erste Quantennetzwerk vom Weltraum zur Erde. China ist weltweit führend in der Quantentechnologie und will bis 2030 ein globales Quantennetzwerk aufbauen. Auch wenn die Anwendung der Quantentechnologie in Zukunft noch begrenzt ist, werden Quantenschlüssel wahrscheinlich zum Schutz äußerst sensibler und kritischer Daten eingesetzt.
37. Spintronik
Spintronik ist ein neues Forschungsgebiet, das die Wirkung des Elektronenspins auf die elektrische Leitung untersucht. Konventionelle Elektronik basiert darauf, Elektronen um einen Stromkreis herumzuleiten. Spinströme sind das spintronische Äquivalent elektrischer Ströme. Im Gegensatz zu elektrischen Strömen können Spins zwischen stationären Elektronen übertragen werden. Sie können sich bewegen, ohne dass sich tatsächlich Elektronen bewegen. Im Fall von Flow umfasst die Spintronik „ die Untersuchung der Rolle, die der Spin von Elektronen (und allgemeiner von Kernspins) in der Festkörperphysik spielt.
Mithilfe des Elektronenspins lässt sich die Energie von Elektrizität, Licht, Schall, Vibration und Wärme umwandeln. Diese Fähigkeit, zwischen verschiedenen Energieformen umzuschalten, könnte auf eine Vielzahl von Geräten anwendbar sein, und eine mögliche Anwendung der Spintronik sind Audiogeräte, die den Schallfluss in die eine und nicht in die andere Richtung ermöglichen.
4. Biohybride
38. Biologisch abbaubare Sensoren
Ein biologisch abbaubares elektronisches Gerät ist ein elektronisches Bauteil mit begrenzter Lebensdauer, das einer Hydrolyse oder biochemischen Reaktionen unterliegt. Solche Geräte können als medizinische Implantate für temporäre In-vivo-Sensorik, Arzneimittelabgabe, Gewebetechnik, Mikrofluidik usw. verwendet werden. Materialien, die sich durch biologische oder chemische Prozesse auf natürliche Weise abbauen, werden häufig in Lebensmittel- und Arzneimittelverpackungen verwendet. Abbaubare Elektronik könnte Geräte intelligenter machen, beispielsweise zur Temperatur- oder Chemikalienüberwachung.
Derzeit beträgt die erwartete Lebensdauer elektronischer Produkte möglicherweise nur wenige Monate, und die ökologischen Auswirkungen der Entsorgung elektronischer Produkte sind besorgniserregend und können durch die Verwendung biologisch abbaubarer oder organischer elektronischer Materialien gelöst werden. Dieses Material eröffnet den Weg zu vollständig biologisch abbaubarer, biokompatibler/biometabolisierbarer Elektronik, die sich am Ende ihres Lebenszyklus auflösen kann, was einerseits die Entstehung von Elektroschrott eindämmen und andererseits die Entwicklung medizinischer Implantate ermöglichen würde.
5. Biomedizin
6. Druck und Materialien
56. 2D-Materialien (2D-Materialien)
2D-Materialien bestehen aus atomar dünnen Materialschichten. Die aktuelle Forschung konzentriert sich auf die Eigenschaften von Heteroübergängen, die aus verschiedenen 2D-Materialschichten bestehen, und ihre Anwendungen in der Photovoltaik, Halbleitern, Lichtsammelgeräten und Post-Silizium-Elektronik. Die Erschließung der Fähigkeiten von Halbleiterstrukturen durch das Verständnis von zweidimensionalen Materialheterostrukturen ebnet den Weg für die Entwicklung von Nanoschaltkreisen und tragbaren Geräten. 2D-Magnete könnten die verblüffendsten wissenschaftlichen Probleme lösen und das Zeitalter ultradünner Computer einläuten, und 2D-Materialien haben auch potenzielle Anwendungen in der Sensorik und Datenspeicherung.
7. Technologie, die Ressourcengrenzen durchbricht (Breaking Resource Boundaries)
64．Biokunststoff
Als Biokunststoffe werden Kunststoffe bezeichnet, die unter Einwirkung von Mikroorganismen auf Basis natürlicher Stoffe wie Stärke hergestellt werden. Aufgrund seiner erneuerbaren Eigenschaften ist es umweltfreundlich. Dazu gehören Mais, Reis, Kartoffeln, Palmfasern, Maniok, Weizenfasern, Lignozellulose und Bagasse. Abhängig von der chemischen Zusammensetzung und dem Anteil biobasierter Inhaltsstoffe können Biokunststoffe biologisch abbaubar sein. Biokunststoffe werden in verschiedenen Branchen wie Lebensmittel- und Getränkeverpackungen, Gesundheitswesen, Textilien, Landwirtschaft, Automobil oder Elektronik eingesetzt. Der Hauptvorteil von Biokunststoffen besteht darin, dass sie einen kleineren Energie-Fußabdruck hinterlassen und weniger Umweltverschmutzung verursachen. Das EU-Selbsthilfeprojekt arbeitet an einer biologisch abbaubaren Windel, einer biologisch abbaubaren bioaktiven Schönheitsmaske und einem nanostrukturierten biokompatiblen Vliesstoff. Mithilfe von Sojaprotein haben Forscher der Universitäten Sevilla und Huelva einen Biokunststoff entwickelt, der biologisch abbaubar und umweltfreundlich ist und das 40-fache seines Eigengewichts an Wasser aufnimmt. Das Forschungsteam veränderte die molekulare Struktur von Sojabohnen, wodurch sich die Absorptionseigenschaften veränderten und es ihnen ermöglicht wurde, dreimal mehr Wasser als üblich zu speichern. Durch das Gießen eines festen Proteinkonzentrats in Formen stellten sie Reagenzgläser für den Gartenbau her. Ein Forscherteam um Wang Xinlong hat elektronische Komponenten aus abbaubarem Biokunststoff entwickelt. Entwickelte Elektronik aus einem aus Maisstärke gewonnenen Biokunststoff namens Polymilchsäure (PLA) und durch die Mischung metallorganischer Gerüst-Nanopartikel mit diesem Biokunststoff gelang es ihnen, mechanische, elektrische und flammhemmende charakteristische Materialien zu entwickeln, die in elektronischen Produkten verwendet werden können.
Die Kunststoffindustrie arbeitet daran, neue Wege zur Herstellung von Biokunststoffen aus natürlichen Rohstoffen zu entwickeln, die in der Natur vorkommen. Biokunststoffe sind in vielen Bereichen sehr gefragt und es wird viele neue Anwendungen für dieses Material geben.
8. Energie
76．Energiegewinnung
Energy Harvesting ist eine Technologie, die Energy Harvester nutzt, um Energie aus ihrer Umgebung zu gewinnen. Obwohl die gewonnene Energie bescheiden ist, da solche kleinen Energiequellen viel weniger Strom erzeugen als größere Geräte wie thermoelektrische Geräte, bei denen Sonnenkollektoren an große Wärmequellen angelegt werden, reicht die gewonnene Energie für die meisten drahtlosen, Fernerkundungs-, menschlichen Implantate usw. aus . Eintritt, Radiofrequenzidentifikation, Anwendungen für tragbare Geräte. Zu den Technologien, die Umgebungsenergie erfassen, gehören: mechanische Geräte, die Energie aus Vibrationen und Verformungen gewinnen; thermische Geräte, die Energie aus Temperaturänderungen gewinnen; Strahlungsenergiegeräte, die Energie aus Licht, Radiowellen und anderen Strahlungsformen gewinnen; und ein elektrochemisches Gerät, das nutzt biochemische Reaktionen.
Forscher haben gezeigt, dass es möglich ist, biomechanische Energie aus dem Herzen eines lebenden Tieres zu gewinnen und für die Funkdatenübertragung zu nutzen. Wissenschaftler des Forschungslabors der US-Armee haben ein nanoplattiertes Pulver auf Aluminiumbasis entwickelt, das sich mit Wasser verbindet, um eine chemische Reaktion auszulösen, bei der Wasserstoffgas entsteht, das wiederum zum Antrieb von Brennstoffzellen verwendet werden kann. Dieses synthetische Material spaltet Wasser spontan in Wasserstoff. Bei den Tests beobachteten sie außerdem, dass die chemische Reaktion doppelt so schnell ablief wie bei Wasser, wenn Urin als Wasserquelle verwendet wurde.
Effiziente Energiegewinnungstechniken gewährleisten einen minimalen Wartungsaufwand verschiedener Systeme und versorgen die verfügbare Materie in der Umgebung mit Strom.
81．Schmelzsalzreaktoren
Ein Salzschmelze-Reaktor ist ein Reaktor, der geschmolzenes Salz, gelöst in spaltbarem Material und in geschmolzenem Zustand, als Kernbrennstoff verwendet. Dabei handelt es sich um eine geschmolzene Salzmischung in Form von sehr heißem Chlorid oder Fluorid. Flüssiges geschmolzenes Salz dient sowohl als Brennstoff zur Wärmeerzeugung als auch als Kühlmittel zum Transport von Wärme zu Generatoren. Theoretisch ist die Konstruktion des Splitter-Zwischenüberhitzers dadurch einfacher und sicherer als bei herkömmlichen Kernreaktoren, die feste Brennstoffe und Wasser als Kühlmittel verwenden.
Der Schmelzsalzreaktor wurde in den 1950er und 1960er Jahren am Oak Ridge National Laboratory in den Vereinigten Staaten entwickelt, in den 1970er Jahren jedoch aus nichttechnischen Gründen eingestellt. Mit der Entwicklung der Material- und Teiletechnologie hat sich die Forschung und Entwicklung von Flüssig-Thoriumfluorid-Reaktoren erholt. Die Welt, darunter Frankreich, die Vereinigten Staaten, Indien und China, führt Forschung und Entwicklung von Flüssig-Thoriumfluorid-Reaktoren durch. Insbesondere nach dem Der japanische Atomunfall hat die Aufmerksamkeit aller Parteien erhöht. .
Befürworter von Schmelzsalzreaktoren sagen, sie seien grundsätzlich sicher, nachhaltig und effizient. Im Gegensatz zu herkömmlichen Reaktoren, bei denen das Schmelzen fester Brennstäbe zu einer unkontrollierten Spaltung mit katastrophalen Auswirkungen führen kann, schmelzen Salzschmelze-Reaktoren konstruktionsbedingt. Darüber hinaus haben Studien gezeigt, dass die Thorium-basierte Salzschmelze-Reaktortechnologie radioaktive Abfälle thermisch verbrennen kann, wodurch Bedenken hinsichtlich der nuklearen Lagerung entschärft werden.
China gibt 22 Milliarden Yuan für den Bau von zwei Prototypen von Salzschmelze-Kernreaktoren in Wuwei in der Provinz Gansu aus, die als Prüfstände für die Salzschmelze-Reaktortechnologie konzipiert sind und derzeit getestet werden. Die Verwendung von Thorium als Primärbrennstoff ist wirtschaftlich sinnvoll und China verfügt über die weltweit größten Reserven dieses Elements.
Auf der Suche nach sauberer, effizienter Energie stehen Schmelzsalzreaktoren im Wettbewerb mit neuen Technologien wie erneuerbaren Energien und Fusionsreaktoren.
9. Radikale Durchbrüche bei der sozialen Innovation
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