Weltwirtschaftsforum: Top 10 der aufstrebenden Technologien für 2021

• In der 10-Jahre-Jubiläumsausgabe des Berichts „Top 10 Emerging Technologies“ des Weltwirtschaftsforums werden neue Technologien aufgelistet, die die Welt in den nächsten drei bis fünf Jahren beeinflussen werden.

• Experten des Weltwirtschaftsforums und von Scientific American weisen auf technologische Fortschritte hin, die die Landwirtschaft, das Gesundheitswesen und die Raumfahrt revolutionieren könnten.

• Auf der Liste stehen unter anderem selbstdüngende Pflanzen, Medikamente auf Abruf, Atemsensor-Diagnostik und 3D-gedruckte Häuser.

Auf der 26. Klimakonferenz der Vereinten Nationen haben sich die Länder dazu verpflichtet, innerhalb dieses Jahrzehnts ehrgeizige neue Ziele zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen zu erreichen. Die Erfüllung dieser Verpflichtungen hängt von der Entwicklung grüner Technologien und der Ausweitung ihrer Anwendung ab.

Zwei solcher Technologien – die Produktion von „grünem“ Ammoniak und gentechnisch veränderte Pflanzen, die ihren eigenen Dünger produzieren – zielen beide darauf ab, die Landwirtschaft nachhaltiger zu machen und haben es auf die diesjährige Liste der aufstrebenden Technologien geschafft.

Top 10 der neuen Technologien

Von Atemsensoren zur Krankheitsdiagnose bis hin zum kabellosen Laden von Geräten mit geringem Stromverbrauch – die Liste der wichtigsten neuen Technologien dieses Jahres ist voller spannender Entwicklungen in den Bereichen Umwelt, Gesundheit, Infrastruktur und Konnektivität. Experten sichteten Dutzende von Nominierungen, um eine Gruppe neuer technologischer Entwicklungen zu identifizieren, die das Potenzial haben, den Status Quo aufzubrechen und echten Fortschritt anzustoßen.

Hier sind die Top 10 der aufkommenden Technologien für 2021.

Der Aufstieg der Dekarbonisierung

Ein Jahrhundert ist vergangen, seit Wissenschaftler die Theorie aufstellten, dass überschüssiges Kohlendioxid in der Erdatmosphäre Wärme bindet und so zu einer Erwärmung des Planeten führt. In dieser Zeit hat die Welt daran gearbeitet, alle Aspekte des täglichen Lebens von Kohlendioxid zu befreien. Regierungen und Industrie haben bahnbrechende Verpflichtungen zur Reduzierung der Kohlendioxidemissionen eingegangen.

Um diesen Verpflichtungen in den nächsten drei bis fünf Jahren nachzukommen, bedarf es beispielloser technologischer Innovationen und der Ausweitung des Einsatzes neuer Technologien auf industrielle Produktionsniveau. Dazu gehören Energiespeicherung im großen Maßstab, chemische Quellen mit niedrigem bzw. keinem Kohlenstoffausstoß, die Wiederbelebung des Schienenverkehrs, Kohlenstoffbindung, kohlenstoffarme Landwirtschaft, emissionsfreie Fahrzeuge und Energiequellen sowie eine weltweit vereinbarte Überwachung der Einhaltung der Vorschriften.

Pflanzen, die ihren eigenen Dünger produzieren

Heute werden weltweit jährlich über 110 Millionen Tonnen Stickstoffdünger eingesetzt, um die Ernteerträge zu steigern. Was wäre, wenn Nutzpflanzen ihren eigenen Stickstoff aufnehmen und ihn in ihrem Körper als Ammoniak „fixieren“ könnten, wie es Hülsenfrüchte wie Sojabohnen tun? Als eine der wichtigsten neuen Technologien zielen Forscher nun darauf ab, auch andere Nutzpflanzen wie Mais und andere Getreidearten selbstbefruchtend zu machen.

Beispielsweise arbeiten Forscher daran, den symbiotischen molekularen Austausch zwischen Hülsenfrüchten und Bakterien nachzuahmen, um Wurzelknöllchen zu schaffen, natürliche Düngemittelfabriken für Hülsenfrüchte. Ein anderer Ansatz besteht darin, Bodenbakterien, die normalerweise Getreidewurzeln besiedeln (aber normalerweise keine Knöllchen bilden), beizubringen, Nitrogenase zu produzieren, eine Schlüsselkomponente bei der Umwandlung von atmosphärischem Stickstoff in pflanzenverträgliches Ammoniak.

Luftblasen zur Diagnose von Krankheiten

Bald könnte es für Patienten so einfach sein, auf Krankheiten zu testen, wie auszuatmen. Ein neuer Atemsensor kann Krankheiten diagnostizieren, indem er die Konzentrationen von mehr als 800 Verbindungen im menschlichen Atem misst. Erhöhte Acetonwerte in der Atemluft einer Person können beispielsweise ein Hinweis darauf sein, dass der Patient an Diabetes leidet. Diese Sensoren erfassen Änderungen des elektrischen Widerstands, wenn Atemstoffe durch den Metalloxid-Halbleiter fließen. Anschließend analysieren Algorithmen die Sensordaten.

Obwohl diese neue Technologie noch verfeinert werden muss, bevor sie weite Verbreitung findet, erreichte der Sensor in einer im März 2020 im chinesischen Wuhan durchgeführten Studie eine erstaunliche Genauigkeit von 95 % bei der Erkennung des COVID-19-Virus und eine Sensitivität von 100 % bei der Identifizierung von Patienten.

Arzneimittel auf Anfrage produzieren

Heutzutage werden Arzneimittel oft in großen Chargen hergestellt. Der gesamte Produktionsprozess besteht aus mehreren Schritten und die verschiedenen Prozessteile sind über die ganze Welt verteilt. Der Prozess kann mehrere Monate dauern und Hunderte Tonnen Material umfassen, was zu Herausforderungen hinsichtlich der Produktionskonsistenz und der zuverlässigen Versorgung führen kann. Fortschritte in der Mikrofluidik und der On-Demand-Fertigung ermöglichen es nun, eine kleine Anzahl gängiger Medikamente auf Anfrage herzustellen, und diese Technologie wird für eine zunehmende Anzahl von Medikamenten eingesetzt werden.

Der Prozess, bei dem Materialien durch Rohre in kleine Reaktionskammern transportiert werden, wird auch als kontinuierliche Durchflussfertigung bezeichnet. In abgelegenen Gebieten oder Feldlazaretten könnten diese Medikamente mit tragbaren Maschinen hergestellt und die Dosierung auf jeden Patienten individuell abgestimmt werden. Eine Herausforderung, die es zu bewältigen gilt, besteht darin, die hohen Kosten dieser neuen Technologie zu senken.

Strom aus drahtlosen Signalen

Das Internet der Dinge (IoT) besteht aus Milliarden elektronischer Geräte, die für bestimmte Funktionen die Konnektivität des Internets nutzen. IoT-Sensoren melden Daten, die für unser tägliches Leben von entscheidender Bedeutung sind. Es handelt sich dabei häufig um Geräte mit sehr geringem Stromverbrauch, deren Ladung jedoch schwierig zu halten ist, da die Akkulaufzeit begrenzt ist und sie nach dem Einsatz oft schwer zu berühren sind.

Mit dem Aufkommen von 5G stehen nun drahtlose Signale mit ausreichender Leistung zur Verfügung, sodass die winzigen Antennen in IoT-Sensoren aus diesen Signalen Strom „ernten“ können. Frühe Formen dieser neuen Technologie werden bereits in automatisierten „Tags“ eingesetzt, die durch Funksignale angetrieben werden, die von den Fahrern ausgesendet werden, wenn sie Mautstellen passieren.

Design zur Verlängerung der „Gesundheitsspanne“

Die Weltgesundheitsorganisation prognostiziert, dass sich zwischen 2015 und 2050 der Anteil der über 60-jährigen Weltbevölkerung fast verdoppeln wird, nämlich von 12 % auf 22 %. Mit dem Alter gehen akute und chronische Krankheiten wie Krebs, Typ-2-Diabetes, Demenz und Herzerkrankungen einher.

Forscher haben erstmals Einblicke in die molekularen Mechanismen des Alterns gewonnen, die uns helfen könnten, nicht nur länger, sondern auch gesünder zu leben. Mithilfe holografischer Techniken (mit denen sich beispielsweise die Aktivität aller Gene oder die Konzentration aller Proteine ​​in einer Zelle gleichzeitig quantifizieren lässt) und Erkenntnissen aus der Epigenetik identifizieren Forscher Biomarker, die sich als aussagekräftige Krankheitsindikatoren eignen und so Richtung und Ziele für aggressive Behandlungen liefern.

Ammoniak wird umweltfreundlich

Um den weltweiten Nahrungsmittelbedarf zu decken, müssen Nutzpflanzen häufig mit Ammoniak gedüngt werden – und zwar in großen Mengen. Die Synthese von Ammoniak für Düngemittel erfolgt über ein energieintensives Verfahren namens Haberbusch-Verfahren, das große Mengen Wasserstoff erfordert. Heute wird der meiste Wasserstoff durch Elektrolyse (Aufspaltung von Wassermolekülen mithilfe von Elektrizität) oder durch das Cracken von Kohlenwasserstoffen bei hohen Temperaturen erzeugt. Die für den Betrieb dieser beiden Prozesse erforderliche Energie führt derzeit zu erheblichen Treibhausgasemissionen.

Da erneuerbare Energien immer häufiger zum Einsatz kommen, entsteht eine „grüne“ Variante von Wasserstoff, die keine Treibhausgase freisetzt. Grüner Wasserstoff entfernt nicht nur überschüssigen Kohlenstoff aus der Atmosphäre, sondern verzichtet auch auf die Verwendung umweltschädlicher Chemikalien, die bei der Nutzung fossiler Brennstoffe als Energiequelle anfallen würden. Diese Reinheit ermöglicht zudem eine effizientere Katalyse zur Herstellung von Ammoniak.

Biomarker-Geräte werden drahtlos

Niemand mag Nadeln. Bei vielen häufigen akuten und chronischen Erkrankungen sind jedoch mehr oder weniger häufige Blutentnahmen erforderlich, um Biomarker zu überwachen, die für die Verfolgung des Behandlungsverlaufs bei Krebs, Diabetes und anderen Krankheiten wichtig sind. Fortschritte bei der drahtlosen Kommunikation mit geringem Stromverbrauch und neue chemische Sensortechnologien mit optischen und elektronischen Sonden ermöglichen eine kontinuierliche, nichtinvasive Überwachung wichtiger medizinischer Informationen.

Mehr als 100 Unternehmen haben drahtlose Biomarker-Sensorgeräte für eine Vielzahl von Szenarien im Einsatz oder entwickeln diese gerade. Angesichts der weltweiten Verbreitung der Krankheit liegt der Schwerpunkt dabei auf Diabetes. Durch die drahtlose Konnektivität ist sichergestellt, dass die Daten sofort verfügbar sind, sodass medizinisches Fachpersonal an entfernten Standorten bei Bedarf in Echtzeit eingreifen kann.

Häuser aus lokalen Materialien gedruckt

In den USA und anderen Industrieländern wird der 3D-Druck von Häusern im großen Maßstab bereits in begrenztem Umfang durchgeführt. In Entwicklungsländern, wo der Materialtransport aufgrund der begrenzten Infrastruktur eine Herausforderung darstellt, wurden mit der Verwendung von 3D-Druckern in jüngster Zeit große Fortschritte erzielt. So können Gebäude aus lokal gewonnenen Materialien wie Ton, Sand und lokalen Fasern gedruckt werden. Dadurch entfallen etwa 95 % der Materialien, die zur Baustelle transportiert werden müssen.

Diese neue Technologie könnte den Bau robuster Unterkünfte in abgelegenen Gebieten ermöglichen, in denen der Bedarf an Wohnraum groß ist und praktikable Transportnetze nicht zur Verfügung stehen. Die Ergebnisse könnten für Länder, die oft im Abseits stehen, bahnbrechend sein.

Der Weltraum verbindet die Welt

Sensoren im Internet der Dinge (IoT) können wichtige Informationen über Wetter, Bodenbeschaffenheit, Luftfeuchtigkeit, Pflanzengesundheit, gesellschaftliche Ereignisse und unzählige andere wertvolle Datensätze aufzeichnen und melden. Mit der Einführung unzähliger kostengünstiger Mikrosatelliten in niedrigen Erdumlaufbahnen, die diese Daten rund um den Globus erfassen und zur Verarbeitung an zentrale Einrichtungen herunterladen können, ermöglicht das IoT eine bisher nie dagewesene Transparenz in Bezug auf das Geschehen rund um den Globus – auch in Entwicklungsregionen, die bislang unzugänglich waren und über keine traditionelle Internet-Infrastruktur verfügten.

Probleme wie die geringe Leistung sicherer Datenverbindungen und die kurze Lebensdauer erdnaher Satelliten bleiben bestehen, doch wird erwartet, dass stetige Fortschritte eine weltweite Umsetzung innerhalb der nächsten drei bis fünf Jahre ermöglichen werden.

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