Как свет меняет наше представление о сельском хозяйстве и производстве продуктов питания? В лекции Perimeter Institute Кэтер Симпсон (Cather Simpson) объясняет, почему XXI век станет эпохой фотоники, и как лазерные технологии позволяют управлять полом телят, анализировать состав молока на лету и кормить растущее население планеты в условиях дефицита земель.
💡 Век фотоники: от смартфонов до глобальной индустрии 10:35
Кэтер Симпсон утверждает, что если XX век был веком электроники, то XXI век станет веком фотоники — науки о создании, манипулировании и детектировании света . По её мнению, изобретение лазера в 1960 году по значимости сопоставимо с изобретением колеса, так как оно впервые позволило человеку полностью контролировать световой поток .
Сегодня фотоника пронизывает все сферы жизни:
- Смартфоны: В производстве или работе типичного смартфона задействовано более 100 компонентов или этапов, использующих свет — от лазерной сварки батареи до работы дисплея .
- Медицина: Лазеры применяются для удаления татуировок и лечения воспалений, которые, как полагает Симпсон, могут быть связаны даже с болезнью Альцгеймера .
- Энергетика: Проекты по созданию термоядерного синтеза с помощью мощных лазерных установок .
- Экономика: По прогнозам, к 2020 году объем рынка фотоники должен был достичь почти 1 триллиона канадских долларов .
Кэтер Симпсон считает, что роль фотоники в сельском хозяйстве заключается в радикальном повышении эффективности каждого шага превращения солнечной энергии в калории на нашей тарелке .
🏗️ Вертикальные фермы и продовольственная безопасность 15:23
Человечество стоит перед «проблемой Бразилии»: по словам Кэтер Симпсон, чтобы прокормить дополнительные 5 миллиардов человек, которые появятся на планете в ближайшие десятилетия, нам потребуются новые пахотные земли размером с целую Бразилию . Поскольку свободных земель практически не осталось, решением становится закрытое (индорное) или вертикальное фермерство .
Преимущества этого подхода:
- Высокая плотность посадки и снижение потребности в рабочей силе (использование роботов) .
- Снижение потребления воды и отсутствие необходимости в пестицидах .
- Защита от погодных условий (града, штормов, температурных колебаний) .
Долгое время препятствием для вертикальных ферм была стоимость энергии. Однако фотоника решила эту проблему: стоимость светодиодного (LED) освещения упала в десятки раз с 2006 года . Теперь стало экономически выгодным выращивать растения в закрытых складах, подбирая для каждого вида свой «световой рецепт» — комбинацию длин волн, ускоряющую рост .
Симпсон отмечает «вызов 15 тераватт» — таков текущий уровень мирового энергопотребления . Солнце поставляет на Землю достаточно энергии за один час, чтобы обеспечить планету на год, но мы всё ещё учимся эффективно её собирать. КПД коммерческих солнечных панелей вырос с 12% до 25%, а экспериментальные образцы уже достигают 50% эффективности .
🐄 Лазеры, молоко и «демоны спермы» 28:16
В своей лаборатории Photon Factory Кэтер Симпсон перешла от фундаментальных исследований квантовых состояний к решению конкретных задач молочной промышленности . Одной из самых успешных разработок стала компания Engender, которая занимается сортировкой спермы скота по полу .
Механизм работы технологии Engender:
- Микрофлюидика: Сперматозоиды проходят через каналы толщиной с человеческий волос .
- Ориентация: Лазер используется для выравнивания плоских головок сперматозоидов в потоке .
- Детекция: Кэтер Симпсон поясняет, что X-хромосома (женская) немного больше Y-хромосомы (мужской). При окрашивании ДНК лазер заставляет женские клетки светиться ярче .
- Сортировка (Force): Лазерный луч буквально «подталкивает» нужную клетку в другой канал, используя радиационное давление света (сила порядка 250 пиконьютонов) .
По мнению Кэтер Симпсон, это имеет колоссальное значение для экологии. Например, в Индии 45 миллионов коров, но их продуктивность в 7-8 раз ниже, чем у коров в США или Канаде . Селекция с использованием разделения спермы по полу позволит сократить поголовье скота при сохранении объемов производства молока, что резко снизит нагрузку на окружающую среду . В 2018 году стартап Engender был приобретен международным гигантом CRV .
💿 Orbis: лаборатория на компакт-диске 42:39
Второй проект, представленный Симпсон — Orbis Diagnostics. Это устройство для экспресс-анализа молока непосредственно на ферме . Вместо того чтобы ждать результатов общего анализа всего стада из центральной лаборатории, фермер может проверить каждую корову индивидуально.
Техническое решение:
- Используется физика вращающегося диска (центробежная микрофлюидика), похожая на технологию CD-плееров .
- Вместо сложных насосов потоки жидкости управляются скоростью вращения диска (до 3000 об/мин) .
- Раман-спектроскопия: Лазер заставляет молекулы в молоке «вибрировать» . По уникальному спектру этих вибраций система определяет содержание жира, белка и наличие мастита (инфекции вымени) .
Используя алгоритмы машинного обучения, система Orbis может определить даже то, чем кормили корову (травой или зерном), и подходит ли её молоко лучше для греческого йогурта или для сыра чеддер . Кэтер Симпсон полагает, что в будущем молочная индустрия станет похожа на винную: потребители будут выбирать молоко конкретных регионов с уникальным вкусовым профилем, выявленным с помощью фотоники .
❓ Ответы на вопросы и перспективы 52:14
В ходе сессии вопросов и ответов Кэтер Симпсон затронула темы применения этих технологий в других областях:
- Искусственное мясо: По мнению спикера, через 10 лет гамбургеры в McDonald's вполне могут стать искусственными, и потребитель не заметит разницы. Она считает, что технология культивируемого мяса сначала закрепится в индустрии фастфуда .
- Медицина: Те же спектроскопические методы, что и для молока, уже тестируются для диагностики поражений кожи и помощи хирургам при операциях на поджелудочной железе, чтобы точно определять границы здоровой ткани в реальном времени .
- Вертикальное животноводство: Симпсон уточнила, что хотя интенсивное животноводство существует, «штабелирование» коров друг на друга неэффективно. Однако комбинация аквакультуры (разведение рыбы) и выращивания салата в единой вертикальной системе — это уже реальность .
Кэтер Симпсон подытожила, что фотоника — это не просто физика, а инструмент для достижения целей устойчивого развития планеты .
