Nanofabrik (potental version for german wikipedia)
Eine Nanofabrik ist ein Gerät zur atomar präziesen Herstellung von physischen Gütern im greifbaren Alltagsmaßstab mittels massiv parallelem einsatz von Nanomanipulatoren. Nanofabriken zählen neben dem veralteten ** Konzept der molekularen Assembler zu den produktiven Nanosystemen. Der heutige Stand ist dass noch kein solches Produktionsgerät gebaut wurde. Produktionsmethoden die lebende Zellen benutzen werden (zumindest heute) von Nanofabriken dediziert ausgeschlossen auch wenn Teilsysteme in Zellen manchmal entfernt robotischen charakter zeigen.
Die hier gewählte Definition ist etwas breiter formuliert als die Definition einer Nanofabrik auf der Nanofactory Collaboration Webseite da hier auch die ansichten anderer Experten berücksichtigt werden sollen.
Problematik der gewählten Bezeichnung: Da der Begriff "Nanofabrik" sehr unspeziefisch und daher dehnbar ist scheint wie es bereits mit dem Begriff "Nanotechnologie" geschehen ist eine noch viel weiter reichende Annektierung des Begriffes von von der hier gegebenen stark abweichenden Definition sehr wahrscheinlich. Das führt Josh Hall hier aus.
Contents
Klassifikation Characterisierung und grobe Analysen von Nanofabriken
Es gibt in der einschlägigen Gemeinde zwei (nicht wirklich feindlich gesinnte) Lager. Das sind einerseits die, die den direkten Pfad zu Nanofabriken verfolgen und andererseits die die den schrittweisen Pfad favorisieren. Diese Lagerspaltung ist zum beispile ersichtlich durch diesen Beitrag Eric Drexlers (27-12-2008) und der Reaktion von Robert A. Freitas Jr. und Ralph C. Merkle (28-12-2008). Auf eine Definition der Pfade soll hier verzichtet werden da sie aus den folgenden Ausführungen hervorgehen sollte.
Nanofabriken des inkrementellen Pfades
Frühe Implementierungen von Nanofabriken auf dem inkrementellen Pfad erfordern keine atomare Auflösung um atomare Präzesion in ihren Produkten zu erreichen. Größere atomar präzise molekulare Bauteile werden auf herkömmlichem Weg (d.h keine robotische Montage) wie z.B. chemischer Synthese, biologischer Synthese und Selbstassemblierung hergestellt. Diese größeren Blöcke können dann selbst zentrierend zusammengesetzt werden. Ein heißer Kandidat für frühe Nanofabriken scheinen MMCNs aus selbstassemblierten Bauteilen der struktureller DNA Nanotechnologie zu sein. Frühe Nanofabriken des inkrementellen Pfades profitieren von Fortschritten in den molekularen Wissenschaften von denen es in jüngster Zeit deutliche gab. Fortschritte in diesem Bereich werden gern von denen die nach dem Begriff "Nanotechnologie" fahnden (Reporter, Blogger und andere Interessenten) übersehen. Diverse Software-Design-Tools zur Automatisierung sind in aktiver Entwicklung. (CADNANO?)
In einem weiteren Zwischenschritt zu fortgeschrittenen Nanofabriken könnten möglicherweise steifere Biomineralien mit echter atomarer Auflösung in ihrer Robotik zum Einsatz kommen die aber immer noch kein Vakuum zu ihrer Synthese brauchen. [Radical Abuncdance]
Fortgeschrittene Nanofabriken als ferne gemeinsame Zielvorgabe
Fortgeschrittene Nanofabriken bestehen aus steifen diamantartigen Materialien und arbeiten mit ihnen (betreiben Mechanosynthese) in einem Nahezu perfekten Vakuum. Sie stellen eine sinnvolle gemeinsame Zielvorgabe für sowohl den inkrementellen Pfad als auch den direkten Pfad dar.
Wegen der großen wählbaren Sicherheitsmargen bei denen immer noch sehr gute Ergebnisse auftreten ist man heute in der ungewöhnlichen Situation Dinge analysieren und simulieren zu können die noch nicht gebaut werden können und das in ausreichender Genauigkeit um sicherer Aussagen uber die Funktionstüchtigkeit machen zu können. Das kann einen sinnvollen Zielpunkt zur Orientierung der Entwicklung liefern.
Vorsichtige Abschätzungen sind ein wesentlicher Teil von erkundendem Konstruktionswesen. Dieses Grundprinzip wird im technischen Buch Nanosystems von Eric Drexler angewandt. (Eine Vorläuferversion frei verfügbar) [LINK] In diesem Buch wird eine fortgeschrittene Nanofabrik skizziert und Analysiert. [LINK]
Das prominenteste beispiel von Simulation noch nicht herstellbarer Produkte sind Molekulardynamiksimulationen (molekulare Feder Masse Modelle) von heute absolut nicht herstellbaren diamantagrtigen molekularen Maschinenelementen wie Gleitlagern Zahnrädern uvm. Hochgenaue quantenmechanische Rechnungen sind hier nicht notwendig da es sich nicht um hoch instabile Konfigurationen handelt wie z.B. in Proteinfaltungen. Trotzdem muss achtgegeben werden Dinge wie Elektronenmangelbindungen (Bor-Stickstoff) werden z.B. in Nanoengineer-1 völlig falsch behandelt (Abstoßung statt Bindung).
Zu erwähnen ist, dass die Stroboskop-Illusion in diesen Simulationen vermutlich zu gravierenden Fehleinschätzung der auftretenden Reibung geführt hat. Oft werden auch viel zu hohe Geschwindigkeiten simuliert (GHz statt MHz) um die Simulations-Rechenzeit kurz zu halten.
Es tauchen immer wieder Kritiken über die Machbarkeit auf die sich bei näherer Betrachtung als unbeabsichtigte Strohmann Argumente entpuppen.
- Oberflächen diffundieren oder rekonstruieren - Bei Raumtemperatur ist Oberflächendiffusion auf Diamant astronomisch gering
- perfektes Vakuum kann nicht produziert werden - mikroskopische Diamantkammern dichten praktisch perfekt ab und können mit ausreichend hoher Wahrscheinlichkeit ein perfektes Vakuum "enthalten".
- fette und klebrige finger - Es wurden genaue quantenmechanisch Simulationen durchgeführt die zeigen das Mechanosynthese von Diamant sogar bei Raumtemperatur möglich ist. Nebenbei wurde gezeigt das ein geschlossener Kreislauf von Wiederaufladbaren Werkzeugspitzen gebildet werden kann [Werkzeugspitzenpaper]'
Die direkte Chemische Synthese der Werkzeugspitzen ist noch ausständig und währe sowohl für den direkten als auch für den indirekten Pfad hoher Relevanz.
Nanofabriken des direkten Pfades
Frühe Nanofabrikdesigns am direkten Pfad sind im wesentlichen einfach abgespeckte Versionen der fernen fortgeschrittener Nanofabriken die es erlauneb soll ohne Umweg mittels Rastersondenmikroskopie zu einer minimalen funktionstüchtigen Form einer solchen diamantartigen Nanofabrik zu gelangen.
Die änderungen sind im Wesentlichen:
- Verzicht auf Spezialisierung. D.h. nur ein großes und langsames general purpouse Nanomanimulator Design zur Mechanosynthese aller Bauteile.
- Selbsteinschränkung die minimal nötigen Mechanosyntheseoperationen (z.B. nur Kohlenstoff und Wasserstoff sollen verwendet werden)
Chris Phoenix führte (JAHR) [eine Analyse] (Design of a Primitive Nanofactory) einer solchen abgespeckten Nanofabrik durch. Solche Betrachtungen sind weniger im Sinne von erkundendem Konstruktionswesen sondern eher im Sinne von kommerziellem Konstruktionswesen
Derzeitiger experimenteller stand sind Anfänge in:
- Patterned Layer Epitaxy
- Massiv parallele Rastersondenmikroskopie mit einzelatommanipulationsfähigkeit mittels Mikroelektromechanischen Systemen (MEMS).
Forschung & Entwicklung in diesem Bereich wird geren mit "Tip based Nanofabrication" betitelt.
Eric Drexler kritisiert den direkten pfad als "..."
Verhältnis zu molekularen Assemblern
Der direkte Pfad führt zu Nanofabriken mit general purpouse Kernen die diamondoiden Assemblern durchaus ähneln.
Der inkrementelle Pfad führt von frühen sehr fragilen mehr Assembler-artigen general purpouse Nanofabriken zu hochspezialisierten diamondoiden Nanofabriken. Diamondoide Assembler dabei im technologischen Entwicklungsprozess niemals erreicht oder Durchschritten.
Grey goo Szenario in Bezug auf Nanofabriken
In deutlicher Analogie zum analog zum Verbrennungsdreieck (Brennstoff,Sauerstoff,Hitze) gibt es zumindest sechs Voraussetzungen die gleichzeitig efüllt sein müssen so dass es zu einem großskaligen unkontrollierten Repliktionsausbruch kommen kann. Sechs Notwendigen Bedingungen für ein Replikationsausbruch sind (ohne anspruch auf Vollständigkeit): Replikationsfähigkeit, Bausteinverfübbarkeit, Bauplandatenmobilität, Energieversorgung, Mobilität, Adaptivität
Frühe nicht auf diamantartigen Materialien basierende Nanofabriken erfüllen haben bestenfalls gute Energieversorgung und gute Bauplandatenmobilität über eine Computerverbindung. Fortgeschrittenen Nanofabriken fehlt immer noch Mobilität ud Adaptivität. Das macht Nanofabriken als angenehmen Nebeneffekt diesbezüglich sicherer im Betrieb als ineffizientere Assembler.
Exponentielle Montage (nicht zu verwechseln mit konvergenter Montage) währe ein möglicher Weg zur herstellung einer proto Nanofabrik der auf die meißten Aspekte von Selbstreplikation verzichtet.
Physikalische Grundlagen von fortgeschrittenen Nanofabriken
Nanofabriken sind: 1) effizienter im Betrieb. Der größere verfügbare Platz erlaubt bessere Spezialisierung auf Standardbauteile. Spezialisierte Fließbandsysteme erlauben höhere zeitliche und örtliche Dichte der Mechanosyntheseereignisse. Etwas Logistik und ("unten" nicht skaleninvariante) konvergente Montage erlauben den einfachen Transport von Bauteilen vom Produktions zum Einsatzort ohne massive Stützzstrukturen.
Nanofabriken sind: 2) einfacher in Design und Herstellung da
- keine Notwendigkeit der Selbstreplikationsfähigkeit auf kleinstem Raum besteht.
- keine Notwendigkeit einer Art Schwarmintelligenz zur Entfernung von gerüstbildenden Assemblern besteht.
Frühe Nanofabriken:
- nutzen wahrscheinlich vorproduzierte (in der natur nicht auffindbare) molekulare Bauteile (z.B. Strukturelle DNA nanotechnologie)
- nutzen möglicherweise "exponentielle Montage" ###### zum bootstrapping dabei sind die einzelnen Manipulatoren völlig immobil.
Gründe für die Wahl eines geschichteten Designs und konvergenter Montage
- Produktivitätsexplosion
- natürliche Geschwindigkeit & Verlangsamung ganz unten
notwendige Hauptsysteme in einer Nanofabrik
- kern mechanosynthese
- produkte aus metamaterialien - keine Nahrung
- replikativität character überfluss
