Nyt kun Higgsin hiukkanen on löydetty ja elimiä voidaan tulostaa, on aika selvittää, mitä kuuluu muille tieteen mysteereille ja sovelluksille.
Pimeä aine
Tällä hetkellä tunnemme ainoastaan noin viisi prosenttia maailmankaikkeutemme rakenteesta. Loppu on niin kutsuttua pimeää energiaa (68 %) ja pimeää ainetta (27 %), joiden olemuksesta meillä ei toistaiseksi ole paljoakaan käsitystä.
Erityisesti pimeän aineen rakenne on meille edelleen mysteeri. Miten voimme ylipäätään olla varmoja, että pimeää ainetta on oikeasti olemassa, eikä kyseessä ole vain virhe fysiikan teoriassa?
”Pimeä aine on yksinkertaisin selitys suurelle määrälle erillisiä havaintotuloksia”, selittää kosmologian professori Kari Enqvist Helsingin yliopistosta.
”Ehkä jokin näistä voisi olla seurausta virheestä teoriassa, mutta yksittäinen virhe ei millään pysty selittämään niitä kaikkia.”
Uskoisin, että seuraavan kymmenen vuoden aikana on hyvät mahdollisuudet havaita suoraan pimeän aineen hiukkanen.
Mitä pimeän aineen rakenteesta sitten jo tiedetään? Vai tiedetäänkö mitään?
”Tiedämme, että neutriinot ovat pimeää ainetta, mutta tiedämme myös, ettei niitä ole maailmankaikkeudessa tarpeeksi, jotta ne selittäisivät pimeän aineen. Joitakin uusia alkeishiukkasia siis täytyy olla olemassa.”
Neutriinot ovat pieniä, lähes massattomia hiukkasia, jotka kulkevat tavallisen materian, kuten rakennusten ja ihmisten, lävitse vaivattomasti ja huomaamatta. Enqvist kertoo, että juuri tämä on yksi pimeän aineen havaitsemisen ongelmista: sen vuorovaikutukset tavallisen aineen kanssa ovat hyvin heikkoja.
Pimeän aineen hiukkasia jahdataan muun muassa CERNin LHC-törmäyttimellä, joka on tänä vuonna käynnistetty uutta koejaksoa varten.
Kuinka kauan saamme vielä odottaa, kunnes pimeän aineen luonne saadaan edes jossain määrin selvitettyä?
”Uskoisin, että seuraavan kymmenen vuoden aikana on hyvät mahdollisuudet havaita suoraan pimeän aineen hiukkanen ja tällä tavoin selvittää sen luonne”, arvioi professori Enqvist.
Fuusioreaktori
Fuusioreaktori ratkaisisi maailmamme energiaongelmat kertaheitolla. Fuusio olisi turvallinen ja tehokas tapa tuottaa suuria määriä puhdasta energiaa. Polttoainetta, eli vetyä, on lähes rajattomasti, eikä fuusioenergian tuotanto aiheuttaisi lainkaan kasvihuonepäästöjä tai radioaktiivista jätettä. Ainoa radioaktiivinen lopputuote olisi itse reaktori. Sadassa vuodessa reaktorin sisäosienkin radioaktiivisuus madaltuisi sille tasolle, että vanhan reaktorin osat voitaisiin kierrättää uuden rakennusaineiksi.
ITER on tutkimusreaktori, eikä se tule koskaan kaupalliseen käyttöön.
Fuusioenergian tuotantoa on tutkittu jo yli 30 vuotta. Maailman suurimman fuusioprojektin, ITERin, fuusioreaktorin rakennus alkoi vihdoin vuonna 2010. ITERiltä kerrotaan, että reaktorin on tarkoitus valmistua 2020-luvulla. ITERin valmistuminen ei kuitenkaan tarkoita, että maailman energiaongelmat olisi ratkaistu.
”ITER on tutkimusreaktori, eikä se tule koskaan kaupalliseen käyttöön”, kertoo Krista Dulon ITERin viestintäyksiköstä.
”ITERissä energiaa tuotetaan 6-15 minuutin koepulsseina ja tuotettu energia hävitetään jäähdytystornien kautta.”
Tutkimusvaiheen on tarkoitus kestää noin vuoteen 2030 saakka. Sitä ennen tutkijoiden täytyy vielä selättää muutamia keskeisiä haasteita, kuten kehittää mahdollisimman vähän aktivoituvia rakennusmateriaaleja ja parantaa reaktorin lämmönpoistoa. Lämpötila onkin yksi keskeisimmistä fuusion haasteista, sillä polttoaineet täytyy reaktion onnistumiseksi kuumentaa noin 200 miljoonaan asteeseen. Tämä on 20 kertaa auringon ytimen lämpötila.
Tutkimusvaiheen jälkeen ITER-projekti huipentuu demonstraatioreaktorin, DEMOn, rakentamiseen. Sähköverkkoonkin energiaa tuottavan DEMOn on tarkoitus valmistua 2040-luvulla.
Huoneenlämpöinen suprajohde
Suprajohteeksi kutsutaan ainetta, joka pystyy kuljettamaan sähköä häviöttömästi. Tällä hetkellä kaikki tuntemamme suprajohtavat aineet alkavat kuitenkin käyttäytyä suprajohtavasti ainoastaan erittäin kylmissä olosuhteissa, ja suprajohteiden nykyisten sovellusten määrä onkin kahlittu tilanteisiin, joissa kylmyys voidaan tuottaa keinotekoisesti. Suprajohteita käytetään esimerkiksi CERNin LHC-törmäyttimessä sekä rakenteilla olevassa ITER-fuusioreaktorissa.
Korkean lämpötilan suprajohde mahdollistaisi useita arkipäivän sovelluksia, kuten sähkön kuljettamisen häviöttömästi sähköverkostossa. Nykyisissä sähköjohdoissamme noin kymmenesosa kuljetetusta sähköstä muuttuu lämmöksi ja menee hukkaan, joten suprajohtavat sähkölinjat pienentäisivät sähköntarvettamme huomattavasti.
Suprajohteet myös hylkivät tehokkaasti ulkoisia magneettikenttiä. Tämän ominaisuuden yksi kutkuttavimpia sovelluksia lienee ratakiskojen päällä levitoiva, supernopea juna. Niin kutsuttuja maglev-junia on jo rakennettu esimerkiksi Kiinassa, mutta matalan lämpötilan ylläpitäminen asettaa omat haasteensa teknologian leviämiselle.
Viimeisin ennätys korkean lämpötilan suprajohtavuudessa saavutettiin elokuussa, kun Max Planck -instituutin tutkimusryhmä havaitsi rikkivedyn muuttuvan suprajohtavaksi jo -70 asteessa. Kylmyyden sijaan rikkivedyn suprajohtavuus vaatii 1,5 miljoonan ilmakehän paineen, mikä on yli puoli miljoonaa kertaa auton rengaspaine.
Vaikka Max Planck -instituutti on selkeä edelläkävijä suprajohtavuuden alalla, ei tutkimusryhmän johtaja Mikhail Eremets osaa tarkasti arvioida, milloin suprajohtavuus saavutetaan myös huoneenlämmössä.
”En todellakaan tiedä. Ehkä pian, mikäli meillä on onnea. Meidän täytyy vain jatkaa yrittämistä”, kommentoi Eremets.
HIV-rokote
Parannusta HI-viruksen hoitoon on odotettu siitä lähtien, kun virus löydettiin 1980-luvulla. Nykyiset lääkkeet voivat jo käytännössä pysäyttää taudin etenemisen, mutta toiveissa ovat edelleen myös infektion täysin parantavat ja ennaltaehkäisevät rokotteet. HIV on kuitenkin vaikea vastus, sillä se kykenee muuntautumaan perimältään solujemme kaltaiseksi, piiloutuen immuunijärjestelmältämme.
Yhdysvaltojen NIAID-instituutti tutkii laajasti HI-virusta ja -hoitoja. Instituutista kerrotaan, että terapeuttinen HIV-rokote on jo parhaillaan kliinisen tutkimuksen kohteena. Rokotteen olisi kuitenkin tarkoitus ainoastaan vähentää elimistön virusmäärää ja pysäyttää taudin eteneminen, aivan kuten nykyistenkin lääkkeiden.
”Terapeuttinen HIV-rokote on suunniteltu pitämään virus remissiossa ilman antiretroviraalista lääkitystä. Se ei tuhoaisi virusta elimistöstä”, instituutista selvitetään.
Terapeuttisia HIV-rokotteita on kliinisen tutkimuksen tasolla myös muutamissa muissa tutkimuslaitoksissa.
Terapeuttinen HIV-rokote on suunniteltu pitämään virus remissiossa ilman antiretroviraalista lääkitystä. se ei tuhoaisi virusta elimistöstä.
Edistystä tapahtuu myös viruksen tuhoamisrintamalla. Paljon uutta tietoa on saatu esimerkiksi viruksen kyvystä sulautua ympäristöönsä. Tämä tieto voi lopulta johtaa rokotteeseen, joka opettaisi immuunijärjestelmää tunnistamaan ja tuhoamaan viruksen.
Sen sijaan ennaltaehkäisevän rokotteen kehitys on edelleen hidasta. On hyvin vaikea tehtävä opettaa virukselle altistumatonta elimistöä tuottamaan vasta-aineita, jotka toimisivat mitä tahansa HI-viruksen alatyyppiä vastaan.
”On vaikea ennustaa, kuinka kauan tehokkaan ennaltaehkäisevän rokotteen kehitykseen menee aikaa”, NIAID-instituutista kerrotaan. Toimivaa, ennaltaehkäisevää rokotetta ei siis edelleenkään ole näköpiirissä.
Kvanttitietokone
Kvanttitietokone voisi parhaimmillaan mullistaa muun teknologian kehityksen. Nykytietokoneet laskevat biteillä, eli numeroilla 0 ja 1. Kvanttibitti eli kubitti voisi olla yhtäaikaisesti sekä 0 että 1, jolloin koneen laskentateho moninkertaistuisi. Parhaimmillaan kvanttitietokone voisi muutamassa päivässä ratkaista ongelman, jonka ratkaisemiseen tavalliselta tietokoneelta kuluisi miljoonia vuosia.
Erityisen tehokas kvanttitietokone olisi ratkaisemaan erilaisia optimointiongelmia. Se selvittäisi hetkessä parhaat, nopeimmat ja halvimmat reitit niin postinjakelulle kuin internetin viestiliikenteelle. Tällaisten ongelmien ratkaisu on tavalliselle tietokoneelle äärimmäisen hidasta, jos mahdollisia reittejä on paljon.
Meillä voi olla koneita ratkaisemassa joitain hyödyllisiä ongelmia tavallista tietokonetta nopeammin alle 10 vuodessa.
Kvanttilaskentaa on tutkittu yli 30 vuotta. Voisi luulla, että tutkimus on yhä lapsenkengissään ja toimiva kvanttitietokone kaukaista tulevaisuutta. Tutkija Davide Venturelli NASAn tekoälyä tutkivasta QuAIL-laboratoriosta kuitenkin kertoo, että olemme jopa 10 vuotta lähempänä tehokkaan kvanttitietokoneen kehittämistä kuin olemme luulleet. Eri tahoilla tehdyt tutkimukset ovat tuottaneet yllättäviä edistysaskelia.
”Meillä voi olla koneita ratkaisemassa joitain hyödyllisiä ongelmia tavallista tietokonetta nopeammin alle 10 vuodessa”, Venturelli arvioi.
Paljon on kuitenkin vielä tutkittavaa sekä varsinaisen tietokoneen toteutuksessa että sen tarvitsemien laskenta-algoritmien kehityksessä. Venturelli uskoo, että täysin valmiista kvanttitietokoneesta olemme vielä 15-20 vuoden päässä. Koneen prototyyppeihin ei hänen mukaansa ole kuitenkaan enää pitkä matka.
”Seuraavan kolmen vuoden aikana voimme jo nähdä sovelluksia joihinkin keinotekoisiin ongelmiin, jotka ovat hankalia tavallisille tietokoneille, mutta ratkaistavissa kvanttikoneilla. Se olisi myös hyvin jännittävää!”
Lue lisää: