Dieser Artikel basiert auf dem Manuskript der Sendung "Nanotopia - die kleinste aller möglichen Welten" aus der Reihe "ABENTEUER WISSENSCHAFT", vom Sonntag, 13.10.96, 21 Uhr, Süddeutscher Rundfunk1, Original von Steve Davis (Windfall Films für BBC)2, deutsche Bearbeitung: Juliane Brucker. Eigene Ergänzungen/Veränderungen sind farblich markiert, Quellenangaben finden sich am Ende des Artikels.
Einleitung: Sie verheißen uns ein wahres Wunderland, eine Welt, in der Technik alle unsere materiellen Bedürfnisse befriedigt, uns jeden Wunsch erfüllt. In 25 Jahren soll es soweit sein. Sie sagen, diese Utopie wird Wirklichkeit, wenn herkömmliche Produktionsweisen an ihre endgültigen Grenzen stoßen, wenn Technologie in der Lage sein wird, die Welt umzugestalten, Atom für Atom. Sie nennen es: Nanotechnologie. Atome sind kleiner, als alles, was wir mit bloßem Auge sehen können. Sie verbinden sich und formen alles in uns und um uns herum. Indem wir die Atome kontrollieren, könnten wir theoretisch alles und jedes herstellen. Letzten Endes könnten wir die Baupläne der Natur umschreiben - Nanometer um Nanometer - um sie unseren Wünschen anzupassen.
Carl Feynman3: Wenn man erst die vollständige Kontrolle über die atomare Struktur der Materie hat, gibt das Anlaß zu weiteren technischen Träumen: von einer emissionsfreien Industrie und der Umgestaltung des Universums in einen lebenswerteren Platz. Möglich, daß wir dann am Ende des technischen Zeitalters angelangt sind, weil wir alles haben. Bei dem Gedanken wird mir manchmal ganz anders. Schließlich bin ich nur ein menschliches Wesen, genau wie meine Tochter - und sie wird vielleicht eine junge Frau sein, wenn all das kommt. Ich bin dann ein alter Knochen. Mein Vater, Richard P. Feynman4, erkannte als Erster, daß man einzelne Atome auf mechanische Weise hin und her bewegen könnte. In seinem Vortrag "Da unten ist noch viel Platz" von 1959 (erstmals in deutsch erschienen 1999 bei NZZ FOLIO5) sagte er es sei prinzipiell möglich, winzige Maschinen zu bauen, die eines Tages jede nur denkbare Chemikalie oder Materie herstellen könnten. Als ich heranwuchs war ich wahrscheinlich das einzige Kind auf der Welt, das dies für eine überaus vernünftige Idee hielt.
Sprecherin: Während Carls Kindheit, legte Feynman - einer der führenden Physiker dieses Jahrhunderts - das Fundament für die Konstruktion von winzigen Maschinen, in Nanometer-Größe. Er veranstaltete einen Wettbewerb mit der Aufgabe, einen Motor mit einer Seitenlänge von einem halben Millimeter zu bauen. Das Preisgeld von eintausend Dollar wurde schon im ersten Jahr von einem Bastler eingeheimst. Carl bekam damals einen ersten Eindruck von der Zukunft der Maschinen. Sein Vater hatte erkannt, daß Miniaturisierung DER grundlegende Trend in der Technik war, und Nanotechnologie unvermeidlich. "Die Prinzipien der Physik sprechen keineswegs gegen die Möglichkeit, Dinge Atom für Atom zu bewegen. Es ist prinzipiell möglich, aber in der Praxis hat es noch niemand gemacht, weil wir viel zu groß sind!"(R.P.Feynman).
Carl Feynman: Mit Nanotechnologie könnte man ziemlich verrückte Dinge tun. Ein Beispiel: Auf einem Computerbildschirm lassen sich ohne weiteres Fenster verschieben. Das ginge aber ebensogut mit richtigen Fenstern, wenn die Wände aus intelligentem Material gemacht wären, das zurückweicht, wenn man die Fenster bewegt. Oder man baut sehr viel Computerleistung in Kinderspielzeug ein, zum Beispiel so viel, daß es reagiert, wenn man vorbeigeht. Das klingt wie Science-Fiction. Aber als in den 30er Jahren von der Mondlandung die Rede war, klang auch das wie Science-Fiction. Die Experten wußten jedoch damals schon, daß es möglich war, denn man konnte die technischen Details, wie Treibstoff und Energie, ausrechnen. Heute können wir die Energien bestimmen, die nötig sind, um Atome zu bewegen. Die Schlußfolgerungen daraus hören sich an wie Science-Fiction, aber die einzelnen Schritte auf diesem Weg sind pure Wissenschaft.
Sprecherin: Heute können wir Motoren konstruieren, die 100 mal kleiner sind, als der des Feynman-Preis Gewinners, weil wir mit Elektronenstrahlen Metall ätzen oder mit Lichtstrahlen Silizium. Fünfunddreißig Jahre nach Richard Feynmans Idee produziert ein ganzer Industriezweig mikroskopisch kleine Maschinen: Motoren, Sensoren, Manipulatoren. Diese Wunder der "MIKROtechnologie" sind für eine NANOtechnologie immer noch 1000 mal zu groß. Aber die Tür zu Nanotopia wird durch die kleinste Maschine überhaupt geöffnet: durch den gewöhnlichen Schalter. Seit der Jahrhundertwende wird der Elektroschalter mit jedem Sprung in der Fertigungstechnik kleiner und kleiner. In den 40er Jahren ermöglichten die Elektronenröhren den Zusammenschluß von vielen Schaltern zu komplexen Schaltkreisen. Das war die Geburt des Computers. Mit dem Aufkommen von Transistoren und Halb-Leiter-Elektronik in den 60er Jahren, brachte man ganze Computer auf einzelnen Kristallen aus chemisch reduziertem Sand unter - auf Silizium-Chips. Mittlerweile enthält der leistungsstärkste Chip der Welt - der Alpha-Chip - über neun Millionen winzig kleiner Schalter. In Silicon Valley, gibt es ein Gesetz der Miniaturisierung. Man nennt es "Moores Gesetz", nach einem der Gründerväter der Computerindustrie. Moores Gesetz besagt, daß sich alle 18 Monate die Größe der Transistoren halbiert und die Leistung der Computer verdoppelt.
Ralph Merkle6: Einer der Schlüsselparameter ist Größe. Nehmen wir an, die Größe nimmt entlang dieser Achse ab, und stellen wir uns dann vor, welche Entwicklung die Technik seit 50 Jahren genommen hat. Die Zeitachse ist hier unten. Oben haben wir angefangen, wo die Dinge groß sind, und seither bewegen wir uns hier hinunter, wo die Dinge klein sind.
Sprecherin: Wenn der Trend weitergeht, wäre also Nanotechnologie die logische Folge. Wir müßten molekulare Produktionsweisen entwickeln, die Supercomputer von der Größe eines Staubkorns kreieren. Der Mann, der das Wort "Nanotechnologie" prägte, hat sogar noch eine viel radikalere Vision:
Eric Drexler7: Molekulare Herstellungsverfahren werden es ermöglichen, Atome und Moleküle, ebenso zu behandeln, wie heute Bits und Bytes in einem Computer. Man wird Atome zuverlässig und schnell zu neuen Mustern zusammensetzen können. Wenn man bedenkt, daß wir heutzutage solche Teilchen noch nicht einmal greifen können, um sie hinzusetzen, wohin wir wollen, dann wird deutlich, welch grundlegende Revolution das sein wird, mit unendlichen Möglichkeiten.
Ralph Merkle: Wir haben bereits eine Revolution erlebt: Wir können heute alles, was wir wollen, auf einem Stück Papier machen. Man sendet Bits an einen Drucker, und der druckt Zeichen in jedem gewünschten Muster. Wir sehen jetzt einer ähnlichen Revolution entgegen, diesmal geht es um dreidimensionale Objekte. Man wird Bits an einen "Objekt-Macher" senden können, der die Atome und Moleküle genau in der gewünschten Weise arrangiert. Für wenig Geld und sehr exakt. Und er wird einfach alles machen können: zum Beispiel einen Computer, Solarzellen, medizinische Instrumente oder einen weiteren "Objekt-Macher".
Sprecherin: In den Gängen der Forschungszentren von Silicon Valley liegt das Wort "Nanotechnologie" in der Luft. Der Gedanke greift um sich, daß man die Technologie, mit der man Computer herstellt, eines Tages nutzten könnte, um jeden beliebigen Gegenstand herzustellen. Die Wissenschaftler träumen davon, "Nanomaschinen" überall einzubauen: molekulare Roboter, die unsichtbar um uns herum arbeiten und die reale Welt in einen Teil der Computerwelt verwandeln. Diese Phantasien stoßen selbst bei eingefleischten Technikfans auf Widerstand.
Mark Weiser8: Das Sympathische an Computern ist, daß wir endlich lernen, daß Dummheit besser ist. Das ist sehr wichtig für den Umgang mit Nanomaschinen, denn wenn sie außer Kontrolle geraten, können sie großen Schaden anrichten. Nanomaschinen müssen sehr, sehr dumm und einfach sein, damit wir genau wissen wie sie arbeiten. Gott behüte uns vor einer intelligenten Nanomaschine, die niemand versteht, und die sich selbst milliardenfach kopiert.
Sprecherin: Allen Warnungen zum Trotz, scheint der Trend zu Mini-Formaten bisher ungebrochen zu sein. Diese Fabrik ist Weltmeister im Verkleinern. Sie heißt Fab 6. Die Eigentümer sagen, daß man hier in einem Jahrzehnt Chips mit einem Durchmesser von einigen hundert Atomen produzieren wird. Das ist eine Präzision, die an molekulare Herstellungsverfahren grenzt. Dafür wurde Fab 6 zum saubersten Platz auf der Welt gemacht.
Rich Hollingsworth: Wir müssen Haarnetze und Überschuhe anziehen, um die Anlage vor der größten Verunreinigungsquelle zu schützen, dem Menschen. Dieser Gang ist eine Säuberungsschleuse. Er ist so sauber wie die Produktionsräume, die wir vor 15 Jahren für die Produktion von Wafern benutzt haben. Unter dieser Luftdusche werden Schmutzpartikel von der Kleidung entfernt. Der Bereich um den "Reinraum" ist in Stufen steigender Sauberkeit aufgeteilt. Man nennt es das Prinzip der "sauberen Umhüllung". Die Umgebung wird immer sauberer, je weiter man in die Anlage hineinkommt. Viele Beschäftigte müssen Schutzanzüge tragen, die wirklich jeden Körperteil bedecken, um jeglicher Verunreinigung vorzubeugen. Die Schaltkreise, die wir heute hier produzieren, haben die Größe von einigen Hundertsteln eines Menschenhaares. Selbst der Bruchteil eines Haares, könnte das Funktionieren eines Schaltkreises verhindern.
Sprecherin: Die Fabrik hat
über eine halbe Milliarde Dollar gekostet. Eine Fabrik, die Mikrotechnologie
herstellen kann, würde 10 Milliarden Dollar kosten! Die Chip-Produktion wird
teurer, weil sich der Herstellungsprozeß nach 30 Jahren nun seinen
physikalischen Grenzen nähert. Hier geht es um Fotolithografie.
Eine Technik, die viel gemeinsam hat mit der Entwicklung von Fotos, aber sehr
viel präziser ist. Schaltkreismuster werden auf
Silizium-Wafer geätzt, indem man gebündelte Lichtstrahlen durch eine Schablone
leitet. So erhält man Blaupausen für Transistoren. Inzwischen sind sie auf die
Größe eines einzigen Lichtstrahls geschrumpft. Um
die Transistoren zu verkleinern, mußte man die Wellenlänge des Lichtstrahls
verkürzen. Da der Trend zu Mini-Maßen weitergeht, sind immer kürzere Wellenlängen
nötig. Dadurch gerät die Fotolithographie in den Bereich der Röntgenstrahlen.
Es gibt jedoch keinen effektiven Weg, um Röntgenstrahlen zu bündeln, und
deshalb können keine Transistoren mit weniger als 400 Atomen Durchmesser gebaut
werden. Wenn man keine andere Methode zur
Chipherstellung findet, wird die Silizium-Revolution beendet sein, und der Traum
von molekularer Fabrikation ist ausgeträumt. In der Industrie heißt diese
Grenze "Die Mauer". Jede lebende Zelle
nutzt Elektronik von der Größe einzelner Moleküle. Die Molekularelektronik
des Lebens ist tausendfach kleiner als die heute üblichen
Silizium-Schaltkreise. Die Natur hat bereits Nano-Maschinen gebaut! (14:34)
Bob Birge: Als ich anfing, auf dem Gebiet der Molekularelektronik zu arbeiten, habe ich zunächst studiert, wie die Augen Licht in Nervenimpulse umwandeln, und mir wurde sofort das Hauptproblem für die Herstellung molekularer Apparate klar: Wir müssen verstehen, wie die Natur ähnliche Funktionspläne auf biologischer Ebene gestaltet. Wenn wir den gleichen Grad von Komplexität erreichten, den das menschliche Gehirn hat, dann könnten wir einen wirklich unglaublichen Computer bauen. Zur Zeit ist das menschliche Gehirn der eindrucksvollste und leistungsstärkste Computer der Welt. Also: Erst wenn wir verstehen wie die Biologie arbeitet, können wir vielleicht selbst einen molekularen Computer machen.
Sprecherin: Bob Birge ist dabei, den alten Technikertraum vom organischen Computerchip, also dem Bio-Chip, Wirklichkeit werden zu lassen. Er arbeitet mit einem Chemieprofessor aus Silicon Valley zusammen - mit Steve Boxer. Sie suchten als erstes nach biologischen Molekülen, die als elektronische Komponenten genutzt werden können. Sie haben sich auf das Protein Bacterio-Rhodopsin konzentriert.
Steve Boxer: Ein Teil unserer Arbeit besteht darin, die Moleküle aus ihrem biologischen Umfeld zu lösen und sie in eine vollständig andere Umgebung zu bringen, sie für etwas gänzlich Unbiologisches zu nutzen. Das ist die Molekularelektronik. Ich persönlich interessiere mich vor allem für Bacterio-Rhodopsin, das man in den Salz-Sümpfen findet. Es enthält ein farbiges Molekül, das Retinal. Unter Lichteinwirkung ändert es seine Struktur und seine Farbe - genau wie das Pigment in unseren Augen, das Farbensehen ermöglicht.
Sprecherin: Bacterio-Rhodopsin ist ein Protein, das von gewöhnlichen Salzwasser-Bakterien gebildet wird. Das Farbprotein ändert bei Lichteinfall seine Struktur und funktioniert dabei wie ein Schalter. Es kann also wie ein Transistor für die Datenverarbeitung genutzt werden. Der große Vorteil von Biomaterial ist, daß es eben nicht Milliarden Dollar, sondern allenfalls ein paar tausend kostet.
Bob Birge: In diesem Fermentierer haben wir einen Salz-Sumpf nachgebildet. In ungefähr einer Woche haben die Bakterien genügend Protein gebildet, so daß man es isolieren kann. Danach kommt es in eine Zentrifuge und nach weiteren sieben Aufbereitungsschritten haben wir das Protein in einer Wasserlösung, die wir viele Wochen und Monate aufbewahren können, bevor wir sie in unseren "Datenwürfel" füllen.
Sprecherin: Das ist das erste organische Computergedächtnis.
Bob Birge: In diesem "Würfel", der das Protein enthält, speichern wir Daten in drei Dimensionen. Der grüne Lichtstrahl filtert in dem "Würfel" einen dünnen Film für die Datenspeicherung heraus. Nur dort, wo das Protein von grünem Licht aktiviert wird, können wir Daten lesen oder schreiben. Aus dieser Richtung fällt ein roter Laserstrahl ein, der das Protein für die Informationsspeicherung aktiviert. Wir behandeln das Protein ganz einfach wie einen AN/AUS-Schalter, in den die Daten geschrieben werden.
Sprecherin: Das Problem bei der Herstellung von organischer Elektronik liegt darin, die Proteinschalter von Nanometergröße mit der Außenwelt zu verbinden. Dieses Problem kann durch das lichtempfindliche Protein gelöst werden.
Bob Birge: Als nächstes muß der Spreicher von der Größe dieser zweieinhalb mal drei Meter großen optischen Bank auf die Maße solch einer kleinen Karte reduziert werden. Das ist aber nur ein Beispiel für die Größenverhältnisse, denn so wird es niemals aussehen. Es wird eher so aussehen. Mit einem solchen System kann man dann Daten direkt in dem Würfel speichern oder abrufen, ohne optische Zwischenschritte. Der Computer wird letztendlich wahrscheinlich eine Mischung aus Halbleitern und Molekülen mit ein bißchen Opto-Elektronik sein. Anders gesagt: Einige Teile werden durch Licht aktiviert werden, andere durch Strom, und sie werden in einem Gehäuse untergebracht sein und in einer Weise zusammenarbeiten, die wir noch nicht kennen.
Sprecherin: Haben Computer dann künftig ebensoviel mit dem Menschen gemein wie mit Mikrochips? Bereits beim heutigen Stand der Technik sind die Militärs dabei, die Schnittstelle zwischen Mensch und Maschine immer weiter zu vervollkommenen.
Mann: Wir haben hier vier Elektroden; uns interessieren in erster Linie die beiden hinteren, die wir 01 und 02 nennen. Wir benutzen einfache Goldkappenelektroden, Oberflächenelektroden, die sich leicht befestigen und abnehmen lassen. Ein wenig Kontaktgel ist alles, was man braucht. Die anderen beiden Elektroden sind hinter jedem Ohr. Jetzt noch ein wenig Wasser - und dann kann's losgehen.
Sprecherin: Diese Militärwissenschaftlerin testet gerade eine Schnittstelle, mit der sie ausschließlich durch Denken einen Flugsimulator steuern kann. Sie hat gelernt ihre Hirnströme zu beeinflußen. Die Änderungen werden von den Elektroden an ihrem Kopf erfaßt und an den Computer weitergeleitet, der den Simulator kontrolliert.
Grant McMillian: Dr. Victoria Nasman arbeitet mit uns an der Entwicklung einer EEG-basierten Steuerung. Kurz gesagt: Sie kontrolliert die Bewegungen des Simulators, indem sie die EEG-Aktivitäten in ihrem Gehirn kontrolliert. Tori blickt auf ein Licht, daß 13mal pro Sekunde aufleuchtet und im visuellen Teil ihres Gehirns, eine sogenannte "visuell evozierte Reaktion" hervorruft. Durch Biofeedback und Training hat Tori gelernt die Reaktion zu vergrößern. Das veranlaßt den Simulator in eine Richtung zu rollen. Sie kann ihre Hirnreaktion aber auch unterdrücken. Dann rollt der Simulator in die andere Richtung. Auf dem Spektral-Analysator kann man etwas von dem Prozeß sogar ganz gut sehen. Tori produziert jetzt eine Menge Alpha-Wellen. Besonders interessant ist diese Spitze, die durch den hellen Cursor markiert wird. Das ist die Frequenz, mit der sie steuert - also die Antwort auf das flackernde Licht. Indem sie die Reaktion vergrößert oder verkleinert, kontrolliert sie den Simulator. Wenn jemand das gut macht, denkt er oft Sachen wie, "ich möchte eine Rechtskurve fliegen" oder "ich möchte eine Linkskurve fliegen". Aber Wünsche oder Gedanken können wir mit dieser Meßmethode gar nicht erfassen.
Victoria Nasman: Gelegentlich bin ich frustriert, wenn der Cursor nicht das macht, was ich will. Aber dann muß man es nochmal versuchen. Es ist eben weniger zuverlässig als wenn ich meinen Arm bewegen will. Das klappt immer. Aber meine Erfahrung ist ähnlich: Es passiert automatisch und es ist ganz natürlich, wenn es klappt.
Grant McMillian: In Zukunft können Sie zweifellos manches von dem erwarten, was wir aus Science-Fiction Filmen kennen: Sehr, sehr intelligente Roboter, die uns in allen Bereichen des Lebens helfen. Ich denke die alternative Steuerung, die wir entwickeln, wird ein Schlüsselelement dafür sein. Wir können dann mit diesem intelligenten System so kommunizieren, wie es der Natur des Menschen entspricht. Ohne die Einschränkungen, die heute noch durch die Technik vorgegeben sind.
Sprecherin: Im Technikwunderland sähe unser Verhältnis zu Maschinen möglicherweise völlig anders aus: Wir brauchen uns nur etwas zu wünschen, und Maschinen verwirklichen es. Sie werden Fortsetzungen unserer Körper und unserer Kraft. Wenn Maschinen immer menschlichere Züge annehmen, könnten sie Eigenschaften entwickeln, die zur Zeit lebendigen Systemen vorbehalten sind - sie könnten wachsen! Wir stehen an der Schwelle zu einer biologisch geprägten Technik, mit Maschinen, die sich selbst zusammensetzen.
Steve Boxer: Selbstmontage und biologische Moleküle sind wirklich ein und dieselbe Sache. Sehen Sie in den Spiegel. Woraus sind wir letzten Endes gemacht? Wir essen etwas, verdauen es zu ziemlich einfachen Bestandteilen, und diese enorme "Zell-Maschine" baut alles wieder auf. Warum sehen Sie so aus und nicht anders? Abstrakter gesagt: Warum sehen die Zellkerne so aus, wie sie aussehen? Warum sind die Moleküle in den Zellwänden auf diese Art zusammengefügt? Das sind hochaktuelle Fragestellungen in der Biologie. Auch mich interessieren diese Fragen außerordentlich, und ich denke sehr viele Menschen finden das faszinierend. Man weiß, daß sich viele Moleküle selbst zusammensetzen. Jeder kennt Seifenblasen. Seifenblasen bestehen aus Molekülen, die zum Beispiel einige Ähnlichkeit mit dem haben, was in einer biologischen Membran vorgeht. Sie setzen sich selbst spontan zusammen und formen interessante Strukturen. Das vielleicht wichtigste Prinzip, daß man von der Biologie übernehmen kann, ist, die Dinge von INNEN her aufzubauen. Bei herkömmlichen Produktionsweisen beginnt man von aussen: Man hat einen Block und schneidet etwas weg. Biologische Systeme werden hingegen aus den Grundbausteinen von innen nach außen aufgebaut. Vielleicht kann man beide Arten miteinander verbinden.
Sprecherin: Vor zwanzig Jahren fragte sich ein Student am Massachusetts Institute of Technology, was es hieße, wenn wir Objekte ebenso herstellen könnten wie die Natur? Und wie das unsere Welt verändern würde? Sein Name ist Eric Drexler. Er wird als Futurist bezeichnet, als Fanatiker und "Mister Nanotechnology". Er selbst sieht sich eher als Ingenieur und Chemiker. Das Ergebnis von Drexlers zehnjährigen Studien über molekulare Systeme war ein Buch. Es verursacht seit seiner Veröffentlichung kontroverse Diskussionen unter Wissenschaftlern.
Eric Drexler: Die Reaktion auf "Engines of Creation" war gemischt. Manche Wissenschaftler und Ingenieure haben es gelesen und begriffen, daß die technischen Argumente überzeugend sind, und sie sagten: Jawohl, das klingt vernünftig, das ist wohl die Richtung, in die die Technik geht. Andere Wissenschaftler blätterten es lediglich durch und sagten: Oh, da ist keine Mathematik 'drin, es gibt keine Diagramme. Das sieht nicht aus wie ein richtiges Lehrbuch. Es ist von wilden, aufregenden Entwicklungen die Rede, das muß Science-Fiction sein. So haben sie es abgetan. Es gab also eine sehr starke Polarisierung in der Wissenschaft, zwischen denen, die es vernünftig fanden, und jenen, die anders dachten.
Sprecherin: Eine von Drexlers frühen Ideen war die "Fleisch-Maschine". Er argumentierte, eine Kuh sei auf der molekularen Ebene schließlich auch nichts anderes als eine Maschine, die die Atome aus dem Gras und aus einem bißchen Wasser neu arrangiert und in Steak verwandelt. Er meinte also, daß es möglich sein würde, eine Maschine zu konstruieren, die dasselbe tun könnte, bloß sehr viel effizienter: Die Lösung also für alle Ernährungsprobleme der Welt und ein Ersatz für die Landwirtschaft mit einem Schlag. Kein Wunder, daß die meisten Wissenschaftler seine Ideen für Hirngespinste hielten.
Carl Feynman: Heute ist er viel vorsichtiger. Als ich ihn kennenlernte war er etwa 21. Er erzählte von seinen amüsanten Ideen und rückte einem zu sehr auf den Pelz, ruderte mit den Armen und redete ein klein wenig zu laut. Jetzt ist der Bursche sehr viel zurückhaltender geworden, weil er gemerkt hat, daß ungewöhnliche Ideen bedeutend besser aufgenommen werden, wenn man sie ganz ruhig vorträgt.
Sprecherin: So unglaublich Drexlers Visionen auch klingen mögen, die meisten Wissenschaftler glauben heute, daß Nanotechnologie zumindest technisch machbar ist. Nanotechnologie entwickelt sich zu einem ernstzunehmenden Forschungszweig. Ein Projekt wurde kürzlich im Forschungszentrum der Xerox Corporation in Palo Alto begonnen.
Ralph Merkle: Im Grunde genommen geht es um ein neues Herstellungsverfahren. Nehmen wir diesen Stuhl: Er ist ziemlich schwer und plump. Könnte man ihn zum Beispiel aus Diamant bauen, wäre er sehr viel leichter. Diamant hat ein 50mal besseres Verhältnis von Härte zu Gewicht als Stahl. Wenn man ein intelligentes Material benutzen würde, das sich der Körperform anpaßt, könnte man einen bequemen Stuhl bauen, der ganz genau zu einem paßt. Sicherlich, Diamant ist heutzutage sehr kostspielig. Aber nicht weil seine Bestandteile selten oder knapp sind, wie das bei Gold der Fall ist. - Gold wird teuer bleiben, selbst wenn man seine Atome neu ordnet. /// Dies hingegen ist kostbar durch die Art, wie die Atome angeordnet sind. Wenn man die Kohlenstoffatome von einem Bleistift auf diese Weise umarrangieren würde, könnte man daraus etwas sehr wertvolles machen. Einfach durch die Neuordnung der molekularen Struktur. Diamant ist der Stoff, von dem Wissenschaftler träumen. Er ist härter, leichter, hat bessere optische und bessere Halbleiter-Eigenschaften. Diamant ist also die Antwort auf die Frage nach den idealen Material.
Eric Drexler: Ich vermute Mitte des 21. Jahrhunderts wird ein Flugzeug nicht aus Aluminium oder Kohlefaser bestehen, sondern aus Diamant oder aus einem diamantähnlichen Material. Wenn man ein Auto sieht, und dieses Auto ist aus einem leichten, harten Material, denn es soll ja sicher und benzinsparend sein, dann wird es ebenfalls aus Diamant oder etwas Ähnlichem sein. Ich denke, nachdem wir eine Steinzeit, eine Eisen- und eine Stahlzeit hatten, bewegen wir uns nun auf das Diamantzeitalter zu.
Sprecherin: Völlig unerwartet wurden Drexlers Voraussagen über die genaue Kontrolle der Atome Wirklichkeit. 1985 erfanden zwei deutsche Wissenschaftler ein Mikroskop, das uns eine erste, schwache Ahnung von der atomaren Welt verschafft: das Raster-Tunnel-Mikroskop. Das Mikroskop tastet mit einer atomfeinen Sondenspitze eine Oberfläche ab. Indem es schwache elektrische Ströme mißt, die von den Atomen unten erzeugt werden, baut das Mikroskop Zeile für Zeile ein vollständiges Bild der atomaren Oberfläche auf. Aber Atome halten nicht still. Wegen der Wärmeenergie bewegen sie sich ständig, und so waren die ersten Bilder unscharf. Um bessere Bilder zu bekommen, kühlten die Wissenschaftler die Atome ab....und brachten damit die Oberfläche zur Ruhe. Aber wiederum waren die Abtastungen unbrauchbar, weil gelegentlich Atome auf die Spitze der Sonde übersprangen. Dann entdeckten die Wissenschaftler, daß sie die Atome abwerfen konnten, wenn sie die elektrische Ladung der Sonde änderten. Ganz nebenbei hatten sie damit eine Methode gefunden, einzelne Atome zu bewegen. Die Ära der atomaren Manipulation war eingeläutet. Vor fünf Jahren wurde das Tunnelmikroskop erstmals für komplexe Abbildungen im Nanometerbereich benutzt. Heute schlagen Wissenschaftler vor, das Mikroskop für die Herstellung molekularer Apparate zu nutzen.
Eric Drexler: Wenn man jedes Molekül einzeln handhabt, wie man das heute mit dem Tunnelmikroskop macht, würde es sehr lange dauern etwas sichtbares herzustellen. Die Produktion von einem winzigen, sichtbaren Körnchen würde bei 1000 Schritten pro Sekunde länger dauern als das Universum alt ist. Das ist wirklich nicht machbar. Mit einem solchen Gerät könnte man aber Dinge herstellen, die klein und gleichzeitig komplex sind. Dinge, die aus vielen Tausend Teilen bestehen und selbst molekulare Maschinen sind. Wenn man dann eine molekulare Maschinen hat, die eine andere molekulare Maschinen baut, kann die Herstellung praktikabel sein. Das Produkt ist mikroskopisch klein, aber die Maschine ist auch mikroskopisch klein. /// Und wenn zwei Maschinen, zwei weitere bauen, dann hat man vier und dieser Prozeß potenziert sich sehr schnell, so daß man Tonnen von Material bearbeiten könnte, und damit bekommt man industrielle Maßstäbe.
Sprecherin: Diese "Schöpfungsmaschinen" nennt Drexler "Assembler". Ein Assembler ist ein Nanocomputer, der mit Atomsonden verbunden ist: eine molekulare Maschine, die alles bauen kann, inklusive sich selbst. Ihre Ähnlichkeit mit lebendigen Organismen ist unheimlich. Ein Assembler würde viele tausend Teile brauchen, alle milliardstel Millimeter klein. Er ist so komplex wie eine lebende Zelle. Wenn wir also einen Assembler bauen wollten, so bräuchten wir geradezu gottähnliches Wissen - so, als wollten wir das Leben selbst erschaffen.
Carl Feynman: Die Natur hat bereits winzige Motoren entwickelt, zum Beispiel Geißeltierchen. Diese Mikroorganismen sind eigentlich winzige Propeller, obwohl sie eher wie Korkenzieher aussehen. Jedes besitzt einen Motor, der so klein ist, daß 350 davon auf dem Durchmesser eines Menschenhaares Platz hätten. Betrieben wird er mittels einer Ladungsdifferenz zwischen dem Inneren des Geißeltierchens und der Außenwelt. Er dreht die Geißel, und bewegt das Tierchen damit vorwärts. Es ist also möglich, und ich denke, man könnte es besser machen als die Natur. Wenn wir noch ein bißchen schlauer werden, können wir Dinge kreieren, die sich bisher nicht entwickelt konnten.
Steve Boxer: Ich finde, zuviele Vorhersagen sind gefährlich, vor allem, wenn man an biologische Systeme denkt, speziell an die Evolution. Das ist ein Prozeß, der sich in kleinen Etappen vollzieht. Und so wird es wohl auch hier sein. Wenn wir nach zwanzig Jahren zurückblicken, erscheint alles so einleuchtend, aber das ist es keineswegs wenn man vorausschaut. Was mich betrifft, und worüber ich mit Eric Drexler streiten würde, ist einfach, daß er denkt, er könnte alles vorhersagen, was in Zukunft sein wird, und ich bin da etwas skeptisch. Ich möchte sehen, wie sich die Dinge entwickeln. Aber zweifellos werden sich-selbst-montierende Moleküle ein Teil der Zukunftstechnologie sein, und sicherlich hat er in dieser Hinsicht einige Verdienste.
Sprecherin: Für Drexler sind die wissenschaftlichen Kenntnisse, die nötig sind, um den "Assembler" zu entwerfen und zu bauen bereits zum Greifen nahe.
Eric Drexler: Der Entwurf
eines funktionierenden "Assemblers" ist eine große Aufgabe für
Ingenieure. Wir reden hier über Systeme, die viele hunderttausend Atome haben,
viele Subsystem mit unterschiedlichen Aufgaben. Mechanische Teile ziehen oder
schieben etwas in eine bestimmte Position, andere Dinge müssen greifen oder
loslassen, wieder andere verursachen chemische Reaktionen an einem bestimmten
Platz und zu einer bestimmten Zeit.
Andere Teile bringen Rohmaterial herein, nehmen es sorgfältig auseinander, so
daß man das richtige Stück zur rechten Zeit auf dem richtigen Platz hat und
keine Umweltverschmutzung. Kurzum, das ist zuviel für eine Person. Wenn also
jemand fragt, wieso es noch keinen "Assembler" gibt, ist die Antwort:
Weil das ein Riesen-Job ist.
Sprecherin: Das Wissen aus drei Jahrhunderten Maschinenbau - angesammelt seit der Industriellen Revolution - ist dann womöglich überholt. Ingenieure müßten von vorne beginnen. Wir haben zwar die wissenschaftlichen Kenntnisse, um Nano-Maschinen zu entwerfen, aber keinerlei praktische Erfahrung damit.
Eric Drexler: Die größte Herausforderung besteht gegenwärig darin, die Arbeit einer Vielzahl von Wissenschaftlern darauf zu konzentrieren, die Ingenieursprobleme einer neuen Welt, der molekularen Welt, zu lösen, und diese Einzellösungen dann zusammenzufassen zu komplexen Systemen, die für uns arbeiten. Es geht darum, Systementwicklung in großem Maßstab in einen Bereich zu lenken, mit dem sich heute noch niemand beschäftigt.
Sprecherin: Konstruktion im Nanomaßstab hat mit dem Entwurf von vertrauten Maschinenteilen begonnen. Computersimulationen zeigen, daß die Moleküle physikalisch gesehen funktionieren und bemerkenswerte Eigenschaften besitzen. Molekulare Lager würden sich ohne Reibung drehen. Im simulierten Belastungstest laufen Getriebe mit bis zu 50 Milliarden Umdrehungen pro Sekunde. Eine Industrie, deren Maschinen unsichtbar klein sind, wäre das Ende von Fabriken und Industriezentren. Molekulare Produktion würde Umweltverschmutzung zu einem Thema der Vergangenheit machen, davon ist Eric Drexler überzeugt.
Eric Drexler: Molekulare Produktion könnte uns helfen, Umweltverschmutzung künftig zu vermeiden. Aber damit ließe sich auch der Schmutz entfernen, den wir in diesem Jahrhundert produziert haben. Chemische Verbindungen - beispielsweise Dioxine - würde man in ihre Bestandteile zerlegen und zu ungiftigen Verbindungen wieder zusammensetzen. Ideal für die Beseitigung von allen möglichen Umweltgiften, wäre eine Art Baum. Etwas, das Solarzellen hat und wurzelähnliche Fasern, die Schadstoffe aus dem Boden holen und abbauen, oder - wenn es giftiges Metall ist - es sammeln, damit man es irgendwo entsorgen kann. Bisher existieren Drexlers Entwürfe nur auf dem Reißbrett. Denn es gibt ein grundlegendes Problem mit dem großartigen Nano-Projekt.
Bob Birge: Das Problem mit Eric Drexlers Traum ist, daß wir bisher noch nicht genügend wissen, um ihn zu realisieren. Manche der Erfindungen, die er vorgeschlagen hat, sind außerordentlich anspruchsvoll und wir haben keine Ahnung, wie wir sie verwirklichen könnten.
Sprecherin: An den Schwierigkeiten bei der praktischen Umsetzung von Nanotechnologie werden sich die Wissenschaftler noch eine Weile die Zähne ausbeißen müssen. Aber wenn sie die Probleme in den Griff bekämen, wäre der Nutzen größer, als bei jeder anderen Erfindung in der Menschheitsgeschichte.
Ralph Merkle: Was die
Werkstoffe betrifft, könnten wir fast alles haben, was wir wollen.
Vorausgesetzt, Sie können beschreiben, was Sie brauchen, könnten Sie es
bekommen, und zwar ganz billig. Wir sprechen von einer Produktionstechnik, die
die Herstellungskosten entscheidend verändern wird. Alles wird billig sein,
verfügbar sein, für jedermann einfach zugänglich sein. ///
Es wird einen gewaltigen Wandel geben: Während sich heute nur jemand, der sehr
reich ist, handgearbeitete und eigens entworfene Produkte leisten kann, wird es
in Zukunft so sein: Wenn einer etwas haben kann, dann können es alle haben.
Sprecherin: Ob man nun an die Nano-Utopie glaubt oder nicht: Die Technologie wird immer weiter zum Nanometerbereich voranschreiten. Denn tief verborgen in der atomaren Welt, unserer Welt, liegt die Macht, alles umzugestalten.
Eric Drexler: In vielen Diskussionen und selbst in Fachzeitschriften, werden Wissenschaft und Technik häufig als ein und dieselbe Sache behandelt. Tatsächlich sind sie aber sehr verschieden. Wenn man sie durcheinanderbringt, verwischt man den Unterschied zwischen dem was möglich ist, und dem was wir wissen und nicht wissen. Die Wissenschaft untersucht die Natur und beschreibt, was schon da ist. Die Technik nimmt das, was wir wissen und schafft Neues. /// Wollte also ein Wissenschaftler die Zukunft der Wissenschaft voraussagen, wäre das Unsinn. Man kann nicht voraussagen, was man künftig lernen wird, denn man kennt es ja noch nicht. Wenn aber ein Ingenieur voraussagt, daß wir demnächst zum Mond fliegen können, lohnt es sich hinzuhören.
1: http://www.uni-mannheim.de/users/sdrwis/docs/101396ds.htm
2: http://school.it.bond.edu.au/COMP261/lectures/nanoint.htm
3: Carl Feynman (geb.22.4.1962), Sohn des berühmten Physikers und Nobelpreisträgers Richard P. Feynman4 (1918-1988). Carl studierte zunächst Philosophie und wechselte dann zu den Computerwissenschaften am MIT. Unter Mitwirkung von Carl Feynman, hat das Foresight Institute den mit 250.000 $ dotierten "Feynman Grand Price", zu Ehren des wohl bedeutendsten Physikers der Nachkriegszeit eingeführt. Als Repräsentant der Art Technology Group war Carl Feynman unter den Diskussionsleitern (AI) des Extropier-Treffens "EXTRO 3 - Extropy Institute's 3rd Conference on the Future" (10.9.1997).
4: "Richard P. Feynman (1918-1988),
war nicht nur der brillanteste, originellste und einflußreichste Physiker der Nachkriegszeit, sondern auch ein höchst eigenwilliger, neugieriger, witziger und leidenschaftlicher Mann, der sich allem, was er tat, mit Leib und Seele verschrieb. In den vieriger Jahren wirkte er in Los Alamos als jüngster Gruppenleiter am Bau der Atombombe mit; Robert Oppenheimer pries ihn als begabtesten Physiker der jüngeren Generation, und Nils Bohr und Hans Bethe schätzten ihn als geistreichen und kritischen Diskussionspartner. Kein anderer Physiker seit Einstein nahm die Herausforderung der Natur in ihren vielfältigen Facetten so vorurteilsfrei an wie Feynman. Er leistete zu jedem Gebiet der modernen Physik wichtige Beiträge. 1965 erhielt er für seine Arbeit zur Quantenelektrodynamik den Nobelpreis. Darin beschrieb er die merkwürdige Wechselwirkung zwischen Licht und Elektronen und entwickelte ein völlig neuartiges Instrument zur Berechnung atomarer Prozesse." Richard P. Feynman starb am 15.2.1988, nach zehnjährigem Kampf gegen den Krebs.
5: "Die Kleinsten werden die Größten sein" (1959 O: There's Plenty of Room at the Bottom), Richard P. Feynman, Übersetzt von P. Haffner, erschienen 1999 in NZZ FOLIO Ausgabe Februar 1999 in Zürich.
6: Ralph C. Merkle
vom Xerox Palo Alto Research Center (PARC), Direktor der Alcor Life Eextension Foundation, erhielt 1998 den "Feynman Price in Nanotechnology", ausführliche Beschreibung: LINK
7: Eric K. Drexler,
Gründer des Foresight Instituts, ausführliche Biographie: LINK
8: Mark Weiser (1952-1999),
Director, Computer Science Laboratory, Xerox PARC, "Vater" der dritten Computergeneration,- die "allgegenwärtigen" Computer (Computer werden als solche nicht mehr sichtbar sein,- sie werden in die Umgebung integriert oder sogar im Menschen implantiert/integriert. Siehe hier: LINK oder hier: LINK ). Anfang 1999 diagnostizierte man bei Mark Weiser einen sehr weit fortgeschrittenen Krebs, woran er am 27.4.1999 im Kreise seine Familie und Freunde verstarb. In Erinnerung an Mark Weiser: LINK
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