Im kulturellen Vorstellungsvermögen sind sie schon lange, die Nanobots. Fiction-Literatur (1, 2) verwendet sie und filmisch wurden sie populär z.B. in der Folge „Die Macht der Naniten“ (engl.: Evolution) aus der Startrek-Serie „The next Generation“ von 1989 und durch die „Replikatoren“ in Stargate.

Aber es bleibt nicht bei Fiktionen. Was vorstellbar ist und was nicht durch Naturgesetze verboten ist, wird auch verwirklicht – dies ist die Meinung von Eric K. Drexler (engl.) , und die Zeit für eine „molekulare Technologie“ scheint seit Anfang der 80er Jahre gekommen.

Eric K. Drexler beschäftigte sich seit den 70er Jahren mit grundlegenden Fragen des Fortschritts angesichts anscheinend schrumpfender Ressourcen (3 , vgl. auch 4 ).

Da die „Grenzen des Wachstums“ nur gelten, wenn man die Erde als zumindest stofflich geschlossenes System ansieht, müssen wir nach Drexler über diese Begrenzungen hinaus denken und schließlich auch handeln. Drexler engagierte sich deshalb zuerst vor allem in raumfahrtorientierten Initiativen. Ende der 70er Jahre las er schließlich einen Text, der zum Ausgangspunkt für eine völlig neue Richtung wurde, der Nanotechnologie. Der Text war die Rede von Richard Feynman aus dem Jahr 1959, in der dieser verkündete, dass es noch „viel Spielraum nach unten“ (engl.) gäbe. Im Jahr 1981 veröffentlichte Drexler schließlich das Konzept der „molekularen Technologie“. 1986 folgte das Buch „Engines of Creation“ .

In diesem Buch erwähnt er eine Lektion, die wir von den Erfahrungen mit Leonardo da Vinci lernen können (Drexler 1986: 47 ff.): Leonardo hatte Erfolg mit Maschinen, die auf Grundlage mechanischen Regeln funktionieren und in dieser Hinsicht lagen auch seine technischen Visionen richtig – es brauchte nur noch viel Zeit, um entsprechend stabile Materialien präzise genug herstellen zu können. Leonardo scheiterte aber mit Erfindungen, die neue wissenschaftliche Erkenntnisse, wie die Aerodynamik gebraucht hätten. Ich schlage vor, dieses Bild als Gleichnis im Gedächtnis zu behalten, denn ich vermute, Drexler geht es mit seinen Ideen ähnlich.

Insgesamt bietet das Buch mehr als nur Technik. Es bettet das technologische Konzept von Drexler in weltanschauliche und wissenschaftstheoretische Debatten ein und diskutiert auch gesellschaftspolitische Fragen des Umgangs mit den neuen Technologien die er vorschlägt. Und die haben es in sich. Es geht um nichts weniger als eine revolutionäre Umwälzung des menschlichen Lebens, vergleichbar mit Evolutionsschritten wie dem Heraustreten des Lebens aus den Ozeanen aufs Land und der Entstehung der Primaten. Es geht um solche futuristischen Themen wie die Weiterführung bzw. Erneuerung der Raumfahrtvisionen, der Künstlichen Intelligenz, von Biostasis fürs Überwinden langer Zeiträume; es geht um nichts weniger als das Überwinden des Alters und Veränderungen des Körpers bis hin zum Abwerfen der menschlichen Körperform wie eine Raupe (ebd.: 234).

Was versteht Drexler unter Nanotechnologie?


(Quelle d. Bilds)

Der Weg, auf dem Drexler diese Ziele erreichen will, ist Miniaturisierung in einen Bereich hinein, den Feynman gezeigt hat und der noch ums Tausendfache kleiner ist als die Mikrotechniken, die seit einigen Jahrzehnten Standard geworden sind. Es geht um die technische Gestaltung der Nanowelt. Adam Keiper spricht davon (Keiper 2003), , dass es zwei grundlegend unterschiedliche Konzepte von Nanotechnologie gibt. Dies ist einerseits die Mainstream-Nanotechnologie, in der es um die üblichen chemischen und materialwissenschaftlichen Forschungen geht, die im Bereich von nanometerkleinen Objekten arbeiten. Dabei werden neue Effekte in neuartigen Materialien entwickelt und eingesetzt, die unser Leben durchaus bereichern werden, aber nicht grundsätzlich verändern. Die andere Richtung sieht die Nanotechnologie seit Drexler als Kern einer grundsätzlichen Umwandlung unserer Lebensweise und sogar unseres Körperbaus. Es wurde schon vorgeschlagen, diese Richtung der Nanotechnologie umzubenennen in „mechutechnology“ (mech-you-technology). Diese Aufspaltung gilt vor allem für die USA und ist deshalb bedeutsam, weil eher die Drexlersche Richtung Einfluss auf die US-amerikanische Wissenschafts- und Förderpolitik bekam und dies der Grund für den Boom der Nanotechnologieförderung seit 2000 ist. Gleichzeitig ist diese Situation wohl auch der Grund dafür, dass die überspannten Erwartungen, die auch an der Börse einen neuen Boom erwarteten, bislang eher enttäuscht wurden, weil die Versprechen von Drexler noch Jahrzehnte der Arbeit an der Verwirklichung brauchen und die Mainstream-Nanotechnik wohl doch nicht so ein kommerzieller Renner ist, wie jene annehmen, die beide Tendenzen vermischen. Und obwohl die Mainstream-Nanotech-Vertreter von der Popularität der Drexlerschen Ideen profitieren, möchten sie gern dessen Image des Unseriösen abstreifen.

Aufgrund der Bedeutsamkeit von Drexler und auch weil es inhaltlich sehr spannend ist, vor allem, wenn man den Gegenständen in der Science Fiction öfter begegnet ist und sich für Zukunftsfragen interessiert, möchte ich mich hier vor allem mit Drexlers Version der Nanotechnologie beschäftigen. Über andere Trends der Nanotechnologien, die nicht direkt mit Drexler zusammen hängen, werde ich später noch berichten.

Grundsätzlich geht Drexler davon aus, dass Fortschritt vom Dreiklang „Kleiner – Schneller – möglicherweise Besser“ bestimmt ist, wobei er durchaus auch Gefahren deutlich sieht. Seine Motivation scheint darin zu liegen, vor allem technologische Lösungen für sich abzeichnende Globale Probleme zu finden. Letztlich geht es darum, durch neue Techniken Reichtum zu erzeugen ohne die Natur zu schädigen und letztlich auch genügend Ressourcen aus dem Weltraum heranzuschaffen, bzw. ganz dahin umzuziehen.

Mokekulare Maschinen

Sein Vorschlag zur Lösung dieser Probleme liegt in „Molekularen Maschinen“. Die bisherige Technik ist lediglich eine „Bulk-Technologie“, weil sie mit massiven Handhabungswerkzeugen massive Werkstücke bearbeitet und nicht auf dem Niveau der Handhabung einzelner Moleküle oder Atome arbeiten kann. Dies soll die „molekulare Technologie“ (ebd.: 4) leisten, die im Nanometerbereich arbeitet. Deshalb ist diese molekulare Technologie eine Form von Nanotechnologie, wie sie seit dem Jahr 2000 immer bekannter wird, aber nicht die einzige.

Wie nun stellt Drexler sich diese molekularen Maschinen vor? Wie wichtig die genaue Vorstellung davon ist, macht seine spätere Streitdebatte mit Richard Smalley deutlich. Drexler will Proteine nutzen um Bauteile herzustellen, die aus härterem Material sind als Proteine (Drexler 1986: 11).

„… tomorrow´s biochemists will be able to use protein molecules as motors, bearings, and moving parts to build robot arms which will themselves be able to handle individual molecules” (ebd.: 9)

Nicht nur Proteine, auch andere reaktive Moleküle sollen so gehandhabt werden, dass sie Atome so in Position zueinander bringen, dass deren Bindungen in gewünschter Weise Verbindungen schaffen (ebd.: 14). Diese reaktiven Moleküle, also unsere Werkzeuge zur Handhabung von Atomen, nennt Drexler Assembler .

“Because assemblers will let us place atoms in almost any reasonable arrangement […], they will let us build almost anything that the laws of nature allow to exist.” (14)

(Quelle)
Bild beschreibung: “As conceived by Drexler, to deposit carbon, a device moves a vinylidenecarbene along a barrier-free path to insert into the strained alkene, twists 90º to break a pi bond, and then pulls to cleave the remaining sigma bond.”

„My proposal is […] to guide the chemical synthesis of complex structures by mechanically positioning reactive molecules, not by manipulating individual atoms.” (Quelle)


(Quelle d. Bilds)

Eine Zeichnung aus einem späteren Buch „Unbounding the Future: the Nanotechnology Revolution” (1991) zeigt noch einmal genauer, wie ein molekularer Manipulator, der an der Spitze eines Rasterkraftmikroskops verankert ist, ein reaktives molekulares Werkzeug bindet und positioniert um ein Werkstück Molekül für Molekül aufzubauen.

Im Jahr 2001 erschien eine Kritik des Drexlerschen Konzepts durch Richard Smalley (1, 2, 3, 4):, der 1956 für die Entdeckung der Fullurene den Nobelpreis erhielt. Er meint, dass erstens die „Finger“ der Manipulatoren selbst aus einem Verbund von Atomen bestehen und deshalb „zu dick“ sind, um mit der nötigen Präzision andere Atome präzise zu positionieren und dass sie aufgrund allgegenwärtiger chemischer Bindungen „zu klebrig“ seien, um jeweils genau an der gewünschten Stelle Bindungen einzugehen bzw. zu lösen. Drexler präzisiert in der Entgegenhaltung sein Konzept und erklärt, dass er keine dicken und klebrigen „Smalley-Finger“ braucht, weil seine Assembler keine mechanischen Manipulatoren, sondern so etwas „wie Enzyme und Ribosomen“ seien. Es gehe um die mechanische Positionierung von reaktiven Molekülen und nicht um die Manipulation einzelner Atome, um die chemische Synthese in Gang zu bringen. Trotzdem hält Smalley aus chemischer Sicht die Vorstellungen von Drexler für nicht verwirklichbar. Das Foresight-Institut, das Drexler einst gründete, aber später wieder verließ, warf Smalley 2004 vor, die neue Literatur aus dem Bereich Mechanosynthesis nicht zur Kenntnis genommen zu haben, bei denen quantenchemische Grundlagen mittels Simulationen und Experimenten erkundet werden. Letztlich dreht sich der ganze Streit wohl vor allem ums Geld, um die Bedeutung, die der jeweiligen Entwicklungsrichtung in der US-amerikanischen Förder- und Forschungspolitik beigemessen wird.

Das Konzept von Drexler geht aber noch weiter. Neben den Assemblern, die Dinge synthetisch mittels Enzymen und chemischen Reaktionen formieren, gibt es noch Disassembler, die Dinge Schicht für Schicht analysieren und Nanocomputer (Drexler 1986: 19).

„With nanocomputers directing assemblers and disassemblers, the replication of hardware could even be automated.” (ebd.: 34 f.)

Dabei sollen die Nanocomputer sogar ihre eigene Struktur verändern können. (ebd.: 78) Mir fiel dabei auf, dass Drexler eine ziemlich mechanistische Vorstellung vom Gehirn und der Möglichkeit einer Übertragung von strukturellen Mustern vom Gehirn zum Nanocomputer hat (ebd.: 77f.).

Letztlich soll es auch molekulare Replikatoren geben. Wie sehr häufig holt Drexler sich die Anregung und den Beweis einer Möglichkeit seiner Vorstellungen aus der Biologie: „Cells do replicate; robots could replicate.“ (ebd.: 54) Er verweist auf Forschungen der NASA für Halb-Selbstreplikatoren (aus vorgefertigten Bauteilen) für Raumflüge (ebd.: 55) und erweitert dieses Konzept, insofern die Replikatoren ihre eigenen chemischen Bestandteile herstellen sollen und Informationen über ihre Baupläne besitzen (ebd.: 57). Weil die Bausteine letztlich Atome und damit „ready-made“ sind, haben die molekularen Replikatoren Vorteile gegenüber massiven Replikatoren.

“A replicator would be able to build copies of itself when supplied with fuel and raw materials. In the diagram, (A) contains a nanocomputer, (B) a library of stored instructions, (C) contains machinery that takes in fuel and produces electric power, (D) is a motor, and (E) contains machinery that prepares raw materials for use. (All volumes follow calculations presented in a class at Stanford.) The lower diagrams illustrate steps in a replication cycle, showing how the working space is kept isolated from the external liquid, which provides the needed fuel and raw-material molecules. Replicators of this sort are useful as thought experiments to show how nanomachines can product more nanomachines, but specialized manufacturing equipment would be more efficient in practice.” (Quelle, auch des Bildes)

Nach späteren Debatten über die Gefährlichkeit solcher Replikatoren, auf welche Drexler in seinem Buch selbst ausdrücklich verweist, nimmt Drexler einige Vorschläge zurück und meint (Phoenix, Drexler 2004), eine nanotechnologiebasierte Fertigung könne inhärent sicher gemacht werden, indem die Fähigkeit zur Selbstreplikation und zu Mutationen nicht mitgegeben wird und die Herstellung solcher Nanotechnik verboten wird. Gleichzeitig warnen die Autoren vor der Möglichkeit, dass auch ohne Selbstreplikation mittels Nanotechnik mächtige Waffen entwickelt werden könnten. Und angesichts dieser Gefahr sei es umso dringlicher, sich selbst mit dieser Technologie zu beschäftigen und die Führungsrolle zu übernehmen.

Wenn nanotechnologische Mittel zur Herstellung maßgebliche Unterstützung von außerhalb benötigen (Material, Informationen), so sind sie nur noch „autoproduktiv“ und autoproduktive Nanotechnologie ist nicht nur sicherer, sondern nach neueren Einschätzungen von Phoenix und Drexler sogar effektiver als es eine autonom-selbstreplizierende wäre. Die Idee der Selbstreproduktion war 1986 noch ein Gedanke, um die Herstellung großer Dinge wie Häuser und Raketen in Analogie zur biologischen Zellteilung mittels Nanoreplikatoren vorzuschlagen (Drexler 1986: 58 f.).

Nanofactoring

(Bildquelle)

Seit 1992 wird nun verstärkt ein Konzept entwickelt, welches „Nanofactoring“ („atomically precise manufacturing“ (APM), „precise atomically precise productive nanosystems“ (APPNs) (Foresight Nanotech Institute 2007)) genannt wird. und zu „Personal Nanofactories“ führt. (Über die Geburt dieser Idee aus der NASA berichtet die Nanorex-Website).

Ein wichtiger Hintergrundgedanke ist folgender: Bisher war es in der Bulk-Technologie so, dass gesteigerte Komplexität auch mehr Größe erforderte. Mit der Mikroelektronik und –mechanik kehrt sich dieser Trend schon um. Aber erst die Nanotechnologie kann eine „advanced simplicity“ schaffen, mit welcher auch kleine autarke Gemeinschaften wieder hochmodern leben und produzieren können (ebd.: 235).

Es geht nun darum, nicht nur kleine selbstreproduzierende Maschinen, sondern ganze Fabriken mit Nanotechnik zu schaffen. Auch hier wird die als gefährlich eingeschätzte Selbstreproduktion nicht gebraucht (Phoenix, Drexler: 2004) . Diese Nanofabriken sind mindestens schreibtischgroß und können präzise makroskopische Produkte wie einen Laptop mit atomarer Genauigkeit produzieren – auch andere Nanofabriken. (Quelle)

Die Realität

Soweit zu den Versprechen. Wie weit ist die Entwicklung tatsächlich gediehen? Als eins der Arbeitsergebnisse wird das Design für einen Assembler durch Ralph A Merkle aus dem Jahr 1995 vorgestellt. (Bildquelle)

Patente, die sich auf Drexler und seine Vorschläge im Nanobereich beziehen, gibt es noch überschaubar wenige. Für technisch Interessierte lohnt es sich, sie durchzulesen. Zugänglich sind sie z.B. über DEPATISNET.

  • 1996: Nanotronics, DE 000069732305 T2: Selbstorganisierte Systeme auf der Basis von Affinität und Anordnungen für Photonische oder elektronische Anwendungen.
  • 1999: Stefan Bossmann und Michael Niederweis, WO 01/16328: Verfahren zur Herstellung von regelmäßigen Nanostrukturen.
  • 2003: Zyvex Labs LLC, US 6,510,359: Verfahren und Vorrichtung für selbsterzeugende Herstellungsstationen.
  • 2004: Zyvex Labs LLC, US 6,821,460: Nano-Manipulation by Gyration
  • 2010: Zyvex Labs LLC, US 7,687,146: „Mechanosynthesis“ von Diamant vor mittels Rastersondenmikroskopie.

Es gibt auch wissenschaftliche Literatur zum Thema, z.B. “NanoBioTechnology. BioInspired Devices and Materials of the Future”. Hier kommen wir aber auch schon in Bereiche, die nicht nur direkt von Eric K. Drexlers Visionen ausgehen.

Grundsätzlich wird eingeschätzt, dass die ersten Nanobots, die Arterien von Fettablagerungen reinigen können oder erste Universelle Assembler in ca. 25 Jahren zur Verfügung stehen könnten (Greenpeace 2003) .

Vision

Ich möchte noch einmal auf die Visionen zurück kommen. Wenn die Konzeptionen von Drexler realiserbar sind, so verspricht er ein Zeitalter von Biotechnologie, Nanomaschinen und „künstlichem Geist“ (Drexler 1986: 21).

“The resulting nanotechnology can help life spread beyond Earth – a step without parallel since life spread beyond the seas. It can help mind emerge in machines – a step without parallel since mind emerged in primates. And it can let our minds renew and remake our bodies – a step without any parallel at all.” (ebd.: 21)

Replizierende Assembler im Weltraum nutzen Solarenergie, wandeln Astroidenmaterial in neue Replikatoren und Produkte für die Menschen um (ebd.: 93). Weil sie „fast alles aus Dreck und Sonnenlicht machen“ können, ermöglichen sie auch eine Welt des Überflusses auf der Erde (ebd.: 95). Alle „Grenzen des Wachstums“ sind überwunden. Auch die Grenzen des körperlichen Verfalls werden durch zellreparierende Maschinen überwunden: „Altern ist natürlich, aber auch die Pocken waren natürlich und unsere Bemühungen, sie zu überwinden.“ (ebd.: 114) Sogar Gifte und Schadstoffe, mit der wir die Natur verschmutzt haben, können durch Umordnung der Atome unschädlich gemacht werden (ebd.: 121). Unmöglich sind nur solche Träume, bei denen chemische Elemente umgewandelt werden – dafür wäre eine „Atomkern-Maschinerie“ notwendig (ebd.: 155).

Das Foresight Nanotech Institute stellte 2007 einen Fahrplan auf, bei welcher am „Horizont III“ so etwas wie künstliche Organe, die Beseitigung der Treibhausgase aus der Atmosphäre und die Fertigung basierend auf produktiven Nanosystemen zu sehen sind.

Ausdrücklich stellt Drexler seine nanotechnologischen Vorschläge in den Kontext transhumanistischer und anderer als „technofuturistisch“ bekannte Konzepte (in Kürze mehr dazu in diesem Blog).

Es sind wohl vor allem ausdrücklich diese visionären Aspekte, welche zu einem Boom US-amerikanischer Nano-Initiativen mit entsprechender finanzieller Unterstützung geführt haben (Quelle).

Fortsetzung kommt morgen…

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