Molekuly & Mrakodrapy

Stroje schopné uchopiť a umiestniť jednotlivé atómy budú môcť vybudovať takmer čokoľvek pomocou naviazania správnych atómov do správnych vzorov tak ako som opísal na konci kapitoly 1. Je jasné že utváranie rozsiahlych objektov nejakú tú chvíľku vždy potrvá. Veď taká mucha napríklad obsahuje milión atómov pre každú sekundu od čias čo sa dinosaury zjavili na tejto planéte. No i tak možno tvrdiť že molekulárne stroje dokážu vytvoriť riadne hebedá - veď koniec koncov utvárajú i veľryby.

Aby došlo k utvoreniu daného objektu dostatočne rýchlo bude potrebná kooperácia veľkého množstva Tvariteľov. Vieme však že replikátory budú môcť Tvariteľov produkovať po tonách. Vskutku bude v prípade správneho návrhu jediný rozdieľ medzi replikátorom a assemblerom spočívať v naprogramovaní.

V prípade že replikujúci sa Tvariteľ dokáže vytvoriť svoju kópiu za tisíc sekúnd môžeme očakávať že za rovnakú doby dokáže utvoriť hocičo podobnej veľkosti. Nápodobne dokáže tona replikátorov veľmi svižne postaviť tonu niečoho iného.Vo výslednom produkte budú bilióny biliónov biliónov atómov na svojom mieste a to v priebehu niekoľkých minút.

Aby sme si predstavili schopnosti a limity jednej z metód pre utváranie rozsiahlych objektov, predstavme si plochu pokrytú drobnými ramenami Tvariteľov naprogramovaných za účelom konštrukčnej práce a zoradených do usporiadaných radov. Bežiace pásy a komunikačné kanály ktoré sú umiestnené za nimi či pod nimi dodávajú reaktívne molekuly, energiu a utváracie inštrukcie. Ak máme rameno ktoré zaberá oblasť širokú ako 100 atomárnych priemerov, tak potom bude mať každý Tvariteľ k dispozícii priestor pre úložné pásy a kanály o celkovej veľkosti rezu rovnajúcej sa približne 10000 atómom.

Zdá sa že toľko miesta nám postačí. Priestor o šírke desiatich či dvadsiatich atomárnych priemerov by mal postačiť pre úložný pás ( zdá sa že jeho základom budú staré dobré kladky). Kanál o šírke niekoľkých atomárnych priemerov by v sebe mohol uchovávať molekulárnu tyč potrebnú pre mechanický počítač spomenutý v kapitole 1. Signál sa medzi týmito mechanickými tyčami bude prenášať pomocou tlačenia a ťahania. Všetky ramená si budú vzájomne pomáhať a výsledkom ich spolupráce bude utváranie pevnej štruktúry vrstva po vrstve. Každé rameno bude zodpovedné za svoju vlastnú oblasť, tj. približne za 10000 atómov pre každú vrstvu. Koberček zložený z Tvariteľov ktorí sú schopní uložiť približne 1000000 atómov za sekundu bude schopný ukončiť prácu na približne sto atomárnych vrstvách za sekundu. Môže sa to zdať veľa ale pri takejto rýchlosti by nám trvalo vytvorenie objektu o hrúbke papiera niečo okolo hodiny a utvorenie metrovej tyče by zabralo niečo vyše roka.

Rýchlejšie ramená možno dokážu urýchliť tvoriaceho procesu na niečo okolo metra za deň, no v tomto prípade treba počítať s oveľa väčším množstvom prebytočného tepla. V prípade že by sa naozaj jednalo o rýchlosť tvorby približne metra za hodinu dá sa očakávať že si na jednom štvorcovom metri takýchto tvariteľov budeme môcť usmažiť stovky stejkov naraz. No a samozrejme že sa dá očakávať že odsmažíme aj jednotlivé tvariteľské zariadenia. V prípade istých veľkostí a rýchlostí sa stávajú chladiace problémy limitným faktorom. Existujú však aj iné cestičky ako urýchliť utváranie objektov bez rizika usmaženia zariadení.

Predstavme si že sa snažíme postaviť dom pomocou zliepania jednotlivých zrniek piesku. Pridanie vrstvičky piesku môže trvať zrnká-lepiacim zariadeniam tak dlho že bude trvať desaťročia kým sa dočkáme stien. Teraz si predstavme že zariadenia v továrni najprv zlepia jednotlivé zrnká do formy tehál. Továreň môže pracovať na viacerých tehlách zároveň. Pri dostatočnom množstve zrnká-lepiacich zariadení budeme získavať jednotlivé tehly v pomerne rýchlom čase; stenové assemblery budú následne schopné postavať veľké veci rýchlo - stroje môžu byť ľubovoľnej veľkosti, či už molekulárne alebo ozrutne gigantické. V prípade takéhoto prístupu bude väčšina konštrukčného tepla uvoľnená ďaleko od miesta konštrukcie, a to pri tvorbe súčiastok.

Konštrukcia mrakodrapov a architektúra života naznačuje podobný prístup pri konštrukcii rozsiahlych objektov. Súčasťou veľkých rastlín i zvierat sú cievne systémy - špecializované kanály nesúce materiály pomedzi jednotlivé tkanivá až k molekulárnym zariadeniam. Potom ako sa dokončí základný rám mrakodrapu sa na prinášanie materiálu k robotníkom využívajú ako žeriavy tak i interiér budovy, jej "cievny systém" - jednotlivé výťahy a uličky. Nič nebráni Tvariteľským systémom aby taktiež využili túto stratégiu - najprv vytvoria lešenie a potom začnú pracovať na celom objeme za účasti materiálov prinášaných pomocou kanálov zvonka.

Predstavme si ako takýmto spôsobom "vypestujeme" masívny raketový motor v priemyselnej nádrži. Oceľová nádrž ktorej súčasťou je i sklenené okienko pre potešenie diváctva je vyššia ako človek keďže musí byť dostatočne veľká na to aby sa do nej zmestil dokončený motor. Trubkami a pumpami je prepojená s inými zariadeniami včítane vodou ochladzovaných tepelných výmenníkov. Toto usporiadanie umožňuje operátorovi riadiť kolobeh viacerých kvapalín vnútri nádrže.

Na začiatku procesu operátor otvorí poklop nádrže a vloží do nej základnú platňu na ktorej bude motor postavaný. Následne je poklop znova zapečatený. Po stlačení spínača zaplavia čerpadlá komoru hustou, mlieku podobnou tekutinou ktorá zaplaví platňu a následne stúpne i nad hladinu nášho okienka čím nám naruší výhľad. Táto tekutina tečie z inej nádrže v ktorej sme si vypestovali množstvo Tvariteľov ktorým sme po ich replikácii prikázali kopírovať a šíriť novú inštrukčnú pásku čím sme ich preprogramovali - tento proces sa trochu podobá na infekciu baktérie vírom. Tieto tvariteľské systémy ktoré sú menšie ako baktérie, rozptylujú svetlo vďaka čomu má kvapalina mliečnu farbu. Ich hojnosť je príčinou viskozity.

Uprostred platne, niekde v hemžiacej sa tvariteľskej tekutine sa nachádza "semä". Obsahuje nanopočítač s uloženými plánmi motora a na svojom povrchu má úchyty na ktoré sa assemblery dokážu naviazať. V prípade že sa tak stane, dôjde k vzájomnému prepojeniu počas ktorého sa zo semena skopíruju inštrukcie do tvariteľského počítača. Takýto nový program assembleru umožní určiť kde sa nachádza vo vzťahu k semenu a usmerní ho k rozvinutiu manipulačných ramien tak aby mohol uchopiť ďalších Tvariteľov. Títo sú následne taktiež zapojení a podobne preprogramovaní. Vďaka dodržiavaniu inštrukcií ktoré sa zo semena šíria do rozširujúcej sa siete komunikujúcich assemblerov sa z kvapalného chaosu vynára istý druh "tvariteľského kryštálu". Keďže si je každý Tvariteľ vedomý svojej polohy v rámci celkového plánu, uchopí svojich ďalších príbuzných len v prípade že je to potrebné. Výsledkom je vzor menej pravidelný no oveľa komplexnejší ako ten ktorého sme svedkami v prípade prírodných kryštálov. V priebehu niekoľkých hodín sa tvariteľské lešenie rozrastie do predom naplánovaného konečného tvaru raketového motoru.

Následne sa k životu opäť prinavrátia pumpy umiestnené v nádrži a nahradia mliečnu tekutinu pozostávajúcu z nenaviazaných tvariteľov čírou zmesou organických rozpúšťadiel a rozpustených látiek - včítane hliníkatých zložiek, zložiek bohatých na kyslík a zložiek ktoré budú slúžiť ako palivo pre tvariteľov. Tak ako sa postupne tekutina prečistuje, stáva sa raketový motor čoraz viditeľnejším skrze naše okienko - vyzerá ako z priehladného bieleho materiálu zhmotnený model v životnej veľkosti. Následne zo semena šíriaca správa prikáže určitým tvariteľom aby sa oslobodili od svojich susedov a zrolovali svoje ramená. Sú zo štruktúr odplavovaný v náhlych prúdoch bielej farby, zanechávajúc za sebou špongiovitú mriežku stále upevnených assemblerov ktorí už však teraz majú dostatok priestoru pre svoju ďalšiu činnosť. Tvar motoru v nádrži sa stáva takmer priehladným, s jemným nádychom farieb dúhových.

V tejto chvíli je každý zostávajúci assembler ajkeď je stále naviazaný k svojim susedom obklopený drobulinkými tekutinou naplnenými kanálikmi. Špeciálne ramená tvariteľov slúžia ako bunkové bičíky, svojim hemžením poháňajú kvapalinu pomedzi kanáliky. Tieto pohyby, podobne ako všetky ostatné pohyby tvariteľov sú pohánané molekulárnymi motorčekmi ktorým za palivo slúžia molekuly obsiahnuté v zmesi. Podobne ako rozpustené cukry poháňajú kvasinky poháňajú tieto rozpustené chemikálie tvariteľov. Plynutie tekutiny so sebou prináša čerstvé palivo a rozpustené hrubé materiály potrebné pre konštrukciu; zatiaľčo so sebou postupne odnáša nadbytočné teplo. Inštrukcie sa medzi tvariteľmi šíria pomocou komunikačnej siete.

Tvaritelia sú pripravení, konštrukcia môže začať. Ich cielom je zostrojenie raketového motora ktorý pozostáva najmä z trubiek a čerpadiel. To znamená že je treba postavať silné, ľahké štruktúry zvláštnych tvarov z ktorých niektoré musia odolať nesmiernemu teplu iné naopak budú v sebe obsahovať rúrky nesúce chladiacu zmes. Tam kde je vyžadovaná veľká sila a odolnosť budú tvaritelia stavať tyče zo vzájomne prepletených vlákien uhlíka v jeho diamantovej forme. Z nich následne zostavia mriežku ktorá bude schopná odolať očakávanému výskytu napnutia a tlaku. Tam kde je potrebná odolnosť voči teplote a hrdzaveniu - čo je prípad mnohých povrchov - tam dôjde k zostrojovaniu podobných štruktúr z oxidov hliníka v jeho zafírovej forme. Na miestach kde možno očakávať nízke napätie ušetria assembleri na hmotnosti tým že za sebou zanechajú širšie medzery v mriežke. Naopak na miestach kde možno očakávať naozaj obrovské pnutia budú tvaritelia posilňovať štruktúru dokým im budú zostávajúce priechody umožňovať aspoň aký taký pohyb. Na iných miestách poukladajú tvaritelia jednotlivé materiály do podobných výsledných senzorov, počítačov, motorov, solenoidov a hocičoho iného.

Pred ukončením ich práce postavajú steny ktoré zvyšné kanáliky podelia do priestorov podobných zapečatením bunkám, následne sa stiahnu k posledným otvorom a vypumpujú zvnútra zvyšnú tekutinu. Po zapečatení takto vyprázdnených buniek ukončia svoju činnosť a zmiznú vo víre cirkulujúcej tekutiny. Nádrž vysychá, sprej ovlažuje motor, poklop sa zdvíha , dokončený motor po vyzdvihnutí definitívne vysychá. Jeho vytvorenie trvalo kratšie ako deň a nevyžadovalo skoro žiadnu ľudskú pozornosť.

Čo je to vlastne za motor? Nie nieje to masívny kus pokrúteného a odliateho kovu, namiesto toho je to plynulá spojitá vec pripomínajúca drahokam. Prázdné vnútorné pravidelne zoradené bunky sú od seba vzdialené približne jednu vlnovú dĺžku svetla čo má za následok vedľajší efekt: podobne ako priehlbiny na kompaktnom disku i ony rozptylujú svetlo výsledkom čoho je opálu podobná mnohoraká hra jagajúcich sa farieb. Týmito prázdnymi priestormi sme docielili že štruktúra vyrobená z tých najľahších no najsilnejších nám známych materiálov je ešte o niečo ľahšia. V porovnaná s kovovými raketovými motormi dneška má tento pokročilý pohon o 90% menšiu hmotnosť.

Keď po nej poťukáte, zacengá ako zvonec s prekvapivo vysokou frekvenciou na svoju veľkosť. Takýto motor pripojený k podobne zostrojenej vesmírnej lodi lieta do vesmíru a späť s ľahkosťou. Znesie dlhé a náročné použitie pretože využitie silných materiálov umožnilo návrhárom začleniť do projektu širokú škálu možnej chybovosti.

Napriek všetkej svojej výnimočnosti je tento raketový pohon vecou docela bežnou. Iba sme nahradili hustý kov obozretne prichystenými štruktúrami ľahkých tesne naviazaných atómov. Záverečný produkt v sebe neobsahuje žiadne nanozariadenia.

V prípade pokročilejších návrhoch dôjde k oveľa širšiemu využitiu nanotechnológií. Cievny systém bude ponechaný na mieste aby mohol aj v budúcnosti podporovať tvariteľské systémy ktoré tak budú môcť opravovať príliš opotrebované časti. Dokým budú užívatelia zásobovať takýto motor zásobami energie a surovín dovtedy bude takýto motor obnovovať svoju štruktúru. Raketové motory pracujú najlepšie v prípade že za rozdielnych podmienok môžu mať iný tvar, no inžinieri nemôžu docieliť aby boli zhlukové technológie silné a ľahké a ešte k tomu sa dokázali napínať . Naopak pomocou nanotechnológií by mohla štruktúra pevnejšia ako oceľ no ľahšia ako drevo meniť svoj tvar podobne ako to robí sval - pracujúc podobne ako sval na princípe kĺžúcich sa vlákien. Takýto motor by sa mohol zväčšovať či zmršťovať či prehýbať v základni v závislosti od jednotlivých podmienok. S primerane naprogramovanými assemblermi a disassemblermi by dokoncal mohol upravovať svoju najzákladnejšiu štruktúru dávno po opustení nádrže.

V skratke povedané replikujúci sa tvaritelia sa budú kopírovať po tonách a následne budú vyrábať ďalšie výrobky akými sú počítače, raketové motory, stoličky atď. Utvoria disassemblery - ničiteľov aby rozbíjali kamene na prach z ktorého získajú základné suroviny. Utvoria solárne kolektory ktoré budú dodávať energiu. Ajkeď malí, budú stavať veľké. Skupiny nanostrojov stavajú v prírode veľryby a pomocou semien sa šíri mašinéria organizujúca atómy do rozsiahlych štruktúr z celulózy ktoré nazývame sekvojami či dubmi. Nieje nič zarážajúce na vypestovaní raketového motora v špeciálne upravenej nádrži. Vskutku budú môcť lesníci v prípade že im dodáme vhodne pripravené tvariteľské "semä" pestovať vesmírne rakety zo zeminy, vzduchu a slnečného svetla.

Tvaritelia budú schopní vytvoriť skoro čokoľvek z dostupných materiálov bez driny. Nahradia dymiace továrne systémami čistými sťa lesy. Premenia technológiu i ekonómiu v samotných jej základoch, otvoria nám nový svet možností. Vskutku budú nástrojmi hojnosti.