Nanofabrik (potental version for german wikipedia)

Modell einer Nanofabrik die gerade ein 3D-Schild extrudiert. Praktischer währe z.B. ein Paar Schuhe.

Eine Nanofabrik ist ein Gerät zur atomar präzisen Herstellung von physischen Gütern im greifbaren Alltagsmaßstab. Enthalten sind fix und unbeweglich verbaute Nanomanipulatoren die massiv parallel zusammenarbiten. Der heutige Stand ist dass noch kein solches Produktionsgerät gebaut wurde.

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 (darunter Eric Drexler der oft als Vater der molekularen Nanotechnologie bezeichnet wird) berücksichtigt werden sollen.

Nanofabriken zählen neben dem Konzept der mobilen selbst replizierenden molekularen Assemblern, das von Experten heute als veraltet (aber nicht unmöglich) betrachtet wird , zu den produktiven Nanosystemen.

Problematik der gewählten Bezeichnung: Da der Begriff "Nanofabrik" eher unspeziefisch und daher dehnbar ist scheint eine noch viel weiter reichende Annektierung des Begriffes wahrscheinlich analog zur Erweiterung und Wandelung der Bedeutung des Begriffes "Nanotechologie" im englischen Sprachraum . Josh Hall schrieb in einem Beitrag auf der foresight Website dass in den frühen Entwicklungsphasen alles mögliche Nanofabrik genannt werden wird und zu dem Zeitpunkt an dem das technologische Level von fortgeschrittenen Nanofabriken erreicht ist sie so allgegenwärtig in unsere Umgebung integriert sein werden das es keinen Sinn mehr machen wird sie als alleinstehende Geräte zu betrachten.

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Es wird erwartet das Produktive Nanosysteme wie Nanofabriken großen Einfluss auf die menschliche Zivilisation haben werden. Zitat aus dem Buch "Radical Abundance" Seite xii:

Wo die digitale Revolution die Tür zu radikalem Überfluss an Informationsprodukten öffnete, wird die Revolution in atomar präziser Herstellung die Tür zu radikalem Überfluss an physischen Produkten öffnen, und damit eine Kaskade von transformativen Konsequenzen die wie die Geschichte zu zeigen scheint auf eine Version 2.0 der globalen Zivilisation hinauslaufen wird, einen Wandel so tiefgreifend wie die industrielle Revolution, jedoch ausbreitend mit Internet-Geschwindigkeiten.

Klassifikation grobes Design 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. Ein Blogbeitrag Eric Drexlers (27-12-2008) und die zeitnahen Reaktion von Robert A. Freitas Jr. und Ralph C. Merkle (28-12-2008) machen diese Lagerspaltung konkret sichtbar. Erik Drexler distanziert sich hier von Ideen und Konzepten die ihm seiner Meinung nach fälschlicherweise zugeschrieben werden wobei Robert A. Freitas Jr. und Ralph C. Merkle danach klarstellen das sie durchaus diese Ideen und Konzepte verfolgen. Die folgenden Unterabschnitte sollten als eine implizite Definition der beiden Pfade ausreichen.

Nanofabriken des inkrementellen Pfades

Frühe Implementierungen von Nanofabriken auf dem inkrementellen Pfad erfordern keine atomare Auflösung um atomare Präzision in ihren Produkten zu erreichen. Größere atomar präzise molekulare Bauteile werden auf herkömmlichem Weg (das heißt ohne robotische Montage) wie z.B. chemischer Synthese, biologischer Synthese und Selbstassemblierung hergestellt. Diese größeren Blöcke können dann selbst zentrierend zusammengesetzt werden. Entweder robotisch (analog zu MEMS elektrostatisch betrieben) von bereits zusammengebauten Teilen der Nanofabrik oder sogar mit langsamen halb zufällig agierenden "brownschen Walkern" ahnlich dem Transport von Zellbausteinen entlang von Microtubuli in Zellen.

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.

Ein heißer Kandidat für frühe Nanofabriken scheinen "modulare molekulare zusammengesetzte Nanosysteme" zu sein . Selbstassemblierte Bauteile der strukturellen DNA Nanotechnologie könnten sich als Kernbestandteil erweisen. Mit struktureller DNA Nanotechnologie wurden beispielsweise schon gezielt viele Mikrometer große atomar präzise Strukturen mit kartesischer geometrie produziert die als eine Art Steckbrett fungieren könnten. Auch wurden minimale Versionen von funktionstüchtige Gestänge getestet die schon deutlich von biologisch inspirierten Nano"maschinen" abweichen.

Diverse Software-Design-Tools zur Automatisierten Erstellung Atomar präziser Molekularer Strukturen sind in aktiver Entwicklung. Ein Beispiel ist 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. So erwähnt im Anhang von Eric Drexlers neuestem populärwissenschaftlichen Buch "Radical Abundance" .

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.

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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 (2003) 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 großskaligen 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

Querschnitt durch eine Nanofabrik die nur aus den untersten drei unbedingt nötigen Montageschichten Besteht. Bild: Screenshot aus dem offiziellen "Productive Nanosystems" Video. Fließbandmontage macht hier die untersten schichten dicker als die Darüberliegenden. Weitere ab hier Skaleninvariante konvergente Montage könnte angeschlossen werden wobei die Schichten wieder dicker würden.

Querschnitt durch eine Desktop-Nanofabrik mit konvergenter Montage ganz hinauf bis zur größe der Gesamten Produktes. Das ist keine Notwendigkeit.

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

Um einen Flaschenhals zu vermeiden muss die Durchsatzkapazität in einer Nanofabrik konstant sein oder monoton steigen.

Es ist in erster Näherung natürlich die Arbeitsgeschwindigkeit auf allen Skalen gleich anzusetzen. Damit verdoppelt sich die Arbeitsfrequenz mit der Halbierung der Seitenlänge eines robotischen Manipulators.

Angenommen die Montagezellen der Unterschicht haben die halbe Seitenlänge der betrachteten Schicht dann gibt es vier Unterschichtzellen mit je einem Achtel des Volumens die mit der doppelten Frequenz arbeiten. Das ergibt im gesamten einen identischen Materialdurchsatz (4/8*2=1). Angenommen die Montagezellen der Unterschicht haben ein viertel der Seitenlänge der betrachteten Schicht dann gibt es sechzehn Unterschichtzellen mit je einem Vierundsechzigstel des Volumens die mit der vierfachen Frequenz arbeite. Das ergibt im gesamten wieder identischen Materialdurchsatz (16/64*4=1). Das gilt auch für alle anderen Schrittgrößen. Egal wie man die Schrittgröße wählt Schichten sind die natürliche Wahl.

Die Produktivitätsexplosion

Die unterste hauchdünne Schicht hat die selbe Produktivität wie riesige oberste Montagezelle. Würde man das gesamte Volumen der Nanofabrik mit Montagezellen der untersten Schicht auffüllen ergäben sich unvernünftig hohe Produktionsraten. [LINK]

Der Spezialfall der Bodenschichten

Abweichungen von der konstant angenommenen Geschwindigkeit gibt es vor allem in den Bodenschichten. Die hohe Produktivitätsdichte äußert sich in großer kumulativer Lagerfläche die trotz ausgezeichneter Schmiereigenschaften (bis zu 100000 mal besser als flüssiggelagert) zum limitierenden Faktor werden kann. Die chemische Effizienz der mechanosynthese muss auch in betracht gezogen werden. Um die zeitliche und örtliche Dichte der Mechanosynthesisereignisse zu erhöhen sind Fabriksartige Fließbandsysteme die auf häufig verwendete Bauteile (Lager, Federn, Keile, ...) spezialisiert sind gut geeignet.

Geschwindigkeiten um wenige Millimeter pro Sekunde wurden als sinnvolle Arbeitsgeschwindigkeit der Bodenschichten erruiert

Weitere Abweichungen von konstanter Arbeitsgeschwindigkeit

• Bei Halbierung der Seitenlänge verdoppeln sich die Beschläunigungen und achtelt sich die Masse folglich vierteln sich die Beschläunigungskräfte.
• In größeren Skalen können mehrschichtige Lager zum Einsatz kommen die die reibung weiter reduzieren können.
• Mechanischen Resonanzfrequenzbereiche muss aus dem weg gegangen werden

Fraktale Strukturen könnten für ein optimales Design nötig werden verkomplizieren aber das Design (keine einfache Skaleninvarianz).

Bei monoton steigenden Produktionsraten in der scritten der konvergenten montage kann eine Reorganisation bereits hergestellter Bauteile schneller erfolgen. Das ist im speziellen relevant für das Recycling.

notwendige Hauptsysteme in einer Nanofabrik

• kern Mechanosynthese
• Energieversorgung
• Wärmemanagement
• Steuerung
• Rohstoffversorgung

Die zu erwartende Charakteristiken von Produkten fortgeschrittener Nanofabriken

Die Produkte fortgeschrittener Nanofabriken basieren auf den neuartigen Materialien die Herstellbar werden.

Der Trick besteht darin die Materialeigenschaften nicht durch die Wahl der genutzten chemischen Elemente zu bestimmen sonder allein durch die Strukturierung nur einige wenige Materialien. Solche Materialien werden auch Metamaterialien genannt ein Kettenhemd ist ein Beispiel für ein heutiges makroskopisches Meta-material das mit Metall textil-artige Eigenschaften emuliert die ihm sonst nicht zugesprochen werden.

Metamaterialien die ausschließlich mit reichlich verfügbaren Elementen auskommen machen uns unabhängiger von seltenen Elemente die teuer und Umwelt-zerstörend aus der Lithosphäre geholt werden müssen (z.B. Mangan).

Diamondoide Metamaterialien bestehen genau betrachtet in der nano- bis Mikroskala aus edelsteinartigen (großteils bindungstopologisch defektfreien) Maschinenelementen mit passivierten (chemisch abgestoppelten) Oberflächen. [LINK] und doch können sie (gegeben ausreichender Designaufwand wird geleistet) voraussichtlich gummiartige Eigenschaften, knallige Farben, Transparenz und Leit-, Halbleit- oder Isolationsfähigkeit haben. Ein in gewissen Grenzen programmierbares Spannungs-Dehnunngs-Diagramm währe vielleicht möglich.

Komplexere Produkte von Nanofabriken basieren auf diesen Metamaterialien. Hier nur ein kleiner Auszug von Beispielen:

• alltemperatur allwetter Wärmeleitfähigkeitseinstellende Telepräsenz Kleidung "ein Raumschiff für eine Person"
• Energiekonversions- und Speichersysteme die allen heutigen weit überlegen sind können systematisch entworfen werden (z.B. Effiziente Mechanosynthetische Wasserspaltung).
• Erweiterung bzw austausch der Straßeninfrastruktur (Solarzellenüberzug)

Nahrung

Nanofabriken werden mit Sicherheit keine identische Kopie eines Steaks produzieren können (alleine schon aus Datenkompressionsgründen).

Was möglich sein könnte ist das spezialisierte Syntheseeinheiten zur Synthese von speziellen flexiblen Biomolekülen wie z.B. Zucker entwickelt werden. Aus dem Werkzeugspitzen-Paper geht hervor dass an einem zwischen zwei Werkzeugspitzen gespannten flexiblen Kettenmolekül nahe der der spannenden Werkzeugspitzen Mechanosynthese betrieben werden kann die die Kette verlängert. Kühlen kann weiter helfen. Diese Moleküle müssten dann entweder ausgeschleust und sich selbst überlassen werden oder irgendwie kontrolliert in das sehr tief gekühlte Produkt eingebettet werden so dass die schwachen Van der Waals kräfte ausreichen das Produckt für den zeitraum der Produktion in Schach zu halten. Es wurden bis heute keine Analysen zur künstlichen Mechanosynthese von essbaren Molekülen durchgeführt. Nur als Nebenbemerkung: alle Wikipedia:de:Proteine in unserer Nahrung werden durch natürliche Mechanosynthese in den Wikipedia:de:Ribosomen gebildet.

Bedenklich ist das solcherart produzierte Nahrung nicht unbedingt die Moleküle enthält von denen wir nicht wissen das sie für unsere Gesundheit wichtig sind.

Recycling

Fortgeschrittenen Nanofabriken können voraussichtlich 100% abfallfrei betrieben werden.

Was jedoch bis jetzt noch kaum untersucht wurde ist was mit den Produkten selbst passiert wenn sie obsolet oder defekt werden. Im Gegensatz zur zusammensetzenden Synthese von Diamant wurde ein mechanosynthetisches Auseinandernehmen von Diamant bisher nicht untersucht. Defekte Strukturen wie z.B. glasartig geschmolzenen Bereiche können nicht blind zerlegt werden da die Atompositionen unbekannt sind. Produkte aus wasserunlöslichen diamondoiden materialien verrotten auch nicht. Wenn große mengen Silizium oder Metalle in den Produkten enthalten sind wie zB Al,Ti,Fe,Mg,Zn, ... ist eine Verbrennung auch nicht möglich da sich glasartige schlacken bilden. (Ein Endpunkt da sich z.B. Aluminium nicht gut von Silikaten abtrennen lässt.)

Exzessive Müllproduktion sollte sich zumindest drastisch vermindern lassen durch die Organisation der Produkte in in fromschlüssig reversibel zusammenbaubare wiederverwendbare Mikrokomponenten.

Nanofabrik als Produkt der Nanofabrik

• replikativität character überfluss

Abgrenzungg zu Biologie

Produktionsmethoden die lebende Zellen benutzen sowie produkte der Synthetische Biologie werden (zumindest heute) nicht zu den Nanofabriken gezählt auch wenn Teilsysteme in Zellen manchmal entfernt robotischen Charakter zeigen.