Глава 4. МАШИНЫ ИЗОБИЛИЯ

Машины, способные схватить и куда-то поместить отдельные атомы будут способны строить почти всё что угодно, связывая нужные атомы вместе нужным образом, как я это описал в конце Главы 1. Безусловно, строительство больших объектов по одному атому будет медленным.

Чтобы быстро создавать большие объекты, должно сотрудничать большое число ассемблеров сотрудничать, но репликаторы будут производить ассемблеры тоннами. Действительно, при правильной конструкции различие между ассемблерной системой и репликатором будет заключаться целиком в программе ассемблера.

Если самовоспроизводящийся ассемблер может сделать свою копию за тысячу секунд, то его можно запрограммировать, чтобы он построил что-нибудь ещё своего размера с той же скоростью. Точно так же тонна репликаторов может быстро построить тонну чего-нибудь еще – и продукт будет иметь все свои миллиарды миллиардов миллиардов атомов в правильных местах, только с очень небольшой долей расположенных ошибочно.

Чтобы понять способности и ограничения этого метода сборки больших объектов, представьте себе плоский лист, покрытый маленькими сборочными манипуляторами – может быть армией репликаторов, запрограммированных для строительных работ и выстроившихся правильными рядами. Конвейеры и каналы связи за ними снабжают их молекулами для реакций, энергией и инструкциями по сборке. Если каждый манипулятор занимает площадь в 100 атомных диаметров, то позади каждого ассемблера будет место для конвейеров и каналов в сумме приблизительно в 10,000 атомов площади по диагонали поперечного сечения.

Похоже, этого места достаточно. Место в десять или двадцать атомов шириной может вмещать конвейер (возможно основанный на молекулярных поясах и шкивах). Канал в несколько атомов шириной может содержать молекулярный стержень, который, подобно стержням в механическом компьютере, упомянутым в главе 1, будет толкать и тянуть, чтобы передавать сигналы. Все манипуляторы будут работать вместе для построения широкого, твердую структуру слой за слоем. Каждый манипулятор будет ответственен за собственную область, работающую приблизительно с 10,000 атомами на слой. Лист ассемблеров, обрабатывающий 1,000,000 атомов в секунду на один манипулятор, закончит приблизительно одну сотню атомных слоев в секунду. Это может казаться слишком быстрым, но с этой скоростью, наращение толщины с бумажный лист будет занимать около часа, а создание плиты толщиной в метр займет в год.

Более быстрые манипуляторы могли бы ускорить сборку до более чем метра в день, но они выделят больше ненужного тепла. Если они могли бы строить слой толщиной в метр за день, высокая температура от одного квадратного метра могла бы поджаривать одновременно сотни бифштексов и могла бы поджарить молекулярные машины.

Представьте себе попытку построить дом путём склеивания отдельных зёрен песка. Добавление слоя зёрен могло бы занять у машин, склеивающих зёрна, так много времени, что выращивание стен дома будет занимать десятилетия. Теперь представьте себе, что машины на фабрике вначале склеивают зёрна в кирпичи. Фабрика может работать сразу с многими кирпичами. С достаточным количеством машин, склеивающих зёрна, кирпичи могли бы вырастать быстро; сборщики стен могли бы далее быстро строить стены, складывая уже собранные кирпичи. Аналогично молекулярные ассемблеры будут работать вместе с большими ассемблерами, которые будут быстро строить большие объекты: машины могут быть любого размера от молекулярного до гигантского. При таком подходе большая часть тепла, выделяемого при сборке будет рассеиваться далеко от места сборки, при производстве частей.

Строительство небоскрёба и архитектура живого предлагают аналогичный способ строить большие объекты. Большие растения и животные имеют сосудистые системы, сложные системы каналов, которые несут материалы к молекулярным машинам, работающим везде в их тканях. Подобным образом после того как сборщики закончат каркас небоскрёба, "сосудистая система" здания – эскалаторы и коридоры, с помощью кранов – будут переносить строительные материалы к рабочим по всему внутреннему объёму здания. Сборочные системы также могли бы использовать эту стратегию, вначале возводя леса и далее работая внутри по всему объёму, соединяя материалы, принесённые по каналам извне.

Представьте себе этот подход, используемый для "выращивания" большого двигателя ракеты, работающий внутри чана на промышленном предприятии. Чан – сделанный блестящей стали, со стеклянным окном для удобства посетителей возвышается выше человеческого роста, так как он должен содержать законченный двигатель. Трубы и насосы связывают его с другим оборудованием и к теплообменникам с водяным охлаждением. Это устройство позволяет оператору пропускать через чан различные жидкости.

Чтобы начать процесс, оператор откидывает крышку чана, и опускает в него опорную плиту, на которой будет строиться двигатель. Далее крышка опять плотно закрывается. По нажатию кнопки, насосы затопляют ёмкость густой молочной жидкостью, которая затопляет плиту и делает неясным видное в окошко. Эта жидкость течёт из другого чана, в котором воспроизводящиеся ассемблеры вырастили и перепрограммировали, заставив их скопировать и распространить новую ленту инструкций (немного похоже на заражение бактерии вирусом). Эти новые ассемблерные системы, меньшие чем бактерия, рассеивают свет и из-за этого жидкость выглядит молочной. То, что они в жидкости преобладают, делает её густой.

В центре опорной плиты, глубоко в кружащейся, загруженной ассемблерами жидкости, находится "семя". Оно содержит нанокомпьютер с хранящимися планами машины, а на его поверхности находятся места, к которым прикрепляются ассемблеры. Когда ассемблер прилипает к нему, они соединяются друг с другом и семя-компьютер передаёт инструкции компьютеру ассемблера. Это новое программирование сообщает ему, где он находится по отношению к семени, и даёт ему команду протянуть свои манипуляторы и зацепить другие ассемблеры. Далее они подключаются тоже и программируются подобным образом. Подчиняясь инструкциям, получаемым от семени (которые распространяются через расширяющуюся сеть ассемблеров) из хаоса жидкости растёт что-то вроде кристалла, состоящего из ассемблеров. Так как каждый ассемблер знает своё место в плане, он зацепляет другие ассемблеры только когда необходимо. Это образует структуру менее правильную и более сложную, чем естественный кристалл. За несколько часов каркас из ассемблеров вырастает так, что уже соответствует планируемой конечной форме ракетного двигателя.

Тогда насосы чана возвращаются к жизни, заменяя молочную жидкость одиночных ассемблеров чистой смесью органических растворителей и растворённых веществ, включая алюминиевые сплавы, компоненты, обогащённые кислородом, и компоненты, служащие в качестве топлива для ассемблеров. По мере того, как жидкость становится более прозрачной, форма двигателя ракеты становится видимой через окно, напоминая модель в полном масштабе, вылепленную в прозрачной белой пластмассе. Затем, сообщение, распространяющееся от семени, предписывает нужным ассемблерам освободить своих соседей и свернуть свои манипуляторы. Они вымываются из структуры быстрой белой лентой, оставляя прочную структуру связанных ассемблеров, оставляя теперь достаточно пространства для работы. Очертания двигателя в чане вырастают почти прозрачными, с небольшой радужностью.

Каждый остающийся ассемблер, хотя все еще связанный с соседями, теперь окружен крошечными заполненными жидкостью каналами. Специальные манипуляторы на ассемблерах работают подобно жгутам, подхлестывая жидкость и способствуя её распространению через каналы. Эти движения, подобно всем остальным, выполняемым ассемблерами, питаются энергией молекулярных машин, для которых топливо служат молекулы в жидкости. Также как растворённый сахар даёт энергию дрожжам, также эти растворённые химические вещества дают энергию ассемблерам. Эта текущая жидкость подносит свежее топливо и растворяет сырые строительные материалы; вытекая обратно, она уносит выработанное тепло. Сеть коммуникаций распространяет инструкции для каждого ассемблера.

Ассемблеры теперь готовы начать строить. Они должны построить двигатель ракеты, состоящий главным образом из труб и насосов. Это означает построить прочные, легкие структуры сложных форм, некоторые из которых способны выдерживать очень высокую температуру, некоторые содержат внутри трубки, по которым течёт охлаждающая жидкость. Там, где нужно очень большое усилие, ассемблеры начинают делать прутки из переплетающихся волокон углерода, в их алмазной форме. Из этого они строят структуру, приспособленную, чтобы выдерживать ожидаемый тип нагрузки. Там, где важно сопротивление температуре и коррозии (как на многих поверхностях), они строят аналогичные структуры из оксида алюминия в его сапфировой форме. В местах, где нагрузки будут низки, ассемблеры сберегают массу, оставляя более широкие пустые пространства в структуре. В местах, где нагрузка будет высокой, ассемблеры укрепляют структуру до тех пор, пока остающиеся пространства едва достаточны, чтобы сами ассемблеры могли двигаться. В других местах ассемблеры кладут другие материалы для того, чтобы образовать сенсоры, компьютеры, моторы, соленоиды и всё остальное, что необходимо.

Чтобы закончить свою работу, они строят стенки, разделяющие остающиеся пространства в каналах в почти запечатанные ячейки, затем отходят к последним открытым местам и выкачивают оставшуюся внутри жидкость. При запечатывании пустых ячеек, они полностью уходят из строящегося объекта и уплывают в циркулирующей жидкости. Наконец, чан опустевает, пульверизатор омывает двигатель, крышка открывается и внутри возвышается готовый двигатель, который сохнет. Его создание потребовало менее дня и почти никакого человеческого внимания.

На что похож этот двигатель? Это не массивный кусок сваренного и скреплённого болтами металла, он без швов, подобный драгоценному камню. Его пустые внутренние ячейки, построенные в ряды, находящиеся примерно на расстоянии длины волны света друг от друга, имеют побочный эффект: подобно углублениям на лазерном диске они преломляют свет, делая различную радужность подобно той, что делает огненный опал. Эти пустые пространства облегчают структуру, уже сделанную из самых лёгких и прочных известных материалов. В сравнении с современными металлическими двигателями, этот усовершенствованный двигатель будет иметь более чем на 90 процентов меньшую массу.

Ударьте слегка по нему, и он отзовётся как колокольчик удивительно высокого для своего размера тона. Установленный в космическом корабле, сделанном тем же способом, он легко поднимет его со взлетно-посадочной полосы в космос и вернёт снова назад. Он выдерживает длительное и интенсивное использование, потому что прочные материалы позволили разработчикам включать большие запасы прочности. Поскольку ассемблеры позволили проектировщикам делать его материал таким, что он при приложении усилия течёт до того, как ломается (оплавляя трещины и останавливая их распространение), двигатель не только прочен, но и износостоек.

При всём своём превосходстве, этот двигатель по сути вполне обычен. В нём просто заменили плотный металл тщательно устроенными структурами из лёгких, прочно связанных атомов. В конечном продукте никаких наномашин нет.

Более продвинутые проекты будут использовать нанотехнологию более глубоко. Они могли бы оставлять в создаваемом объекте сосудистую систему для обеспечения ассемблерной и дизассемблерной систем; их можно запрограммировать на восстановление изношенных частей. Пока пользователи снабжают такой двигатель энергией и сырьём, он будет обновлять свою собственную структуру. Ещё более продвинутые двигатели также могут быть буквально гибкими. Ракетные двигатели работают наилучшим образом, если они могут принимать различную форму при различных режимах функционирования, но инженеры не могут сделать обычный металл прочным, лёгким и при этом гибким. С нанотехнологией, однако, структура более прочная чем сталь и более лёгкая чем дерево могла бы изменять свою форму, подобно мускулу (работая как мускул по принципу скользящих волокон). Двигатель мог бы тогда расширяться, сжиматься и изгибаться таким образом, чтобы обеспечивать требуемую силу тяги в требуемом направлении при различных условиях. С запрограммированными нужным образом ассемблерами и дизассемблерами, он мог бы даже глубоко изменять свою структуру через длительное время после того, как покинул чан, в котором рос.

Короче говоря, воспроизводящиеся ассемблеры будут копировать себя тоннами, потом делать другие продукты, такие как компьютеры, двигатели ракет, стулья и т.д. Они будут делать дизассемблеры, способные разрушить скалу, чтобы получить из неё сырьё. Они будут делать коллекторы солнечной энергии, чтобы обеспечивать энергией. Хотя сами они маленькие, строить они будут большое. Группы наномашин в природе строят китов, и рассеивают зёрна самовоспроизводящихся машин, и организуют атомы в огромные структуры целлюлозы, выстраивая такого гиганта, как калифорнийское мамонтовое дерево. Нет ничего удивительного в выращивании ракетного двигателя в специально подготовленном чане. Действительно, лесники, если им дать подходящие "семена" ассемблеров, могли бы выращивать космические корабли из земли, воздуха и солнечного света.

Ассемблеры будет способен делать практически всё что угодно из обычных материалов без использования человеческого труда, заменяя дымящие фабрики системами, чистыми как лес. Они в корне преобразуют технологию и экономику, открывая новый мир возможностей.