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申请美国顶尖大学的工科学生,你希望具体解决哪个21世界的工程难题?

2021-09-30    浏览量:24   
*西北大学     *哥大    

美国国家工程院公布一项由美国全国科学基金会召集的专家小组撰写,有关21世纪工程学面对的主要挑战的报告!

该报告认为21世纪工程面临着14项大挑战,如能解决这些问题,人类生活将得到改善。

14项大挑战如下:

  • 发展个性化学习

  • 更加容易地获取太阳能

  • 加强虚拟现实技术

  • 发展大脑逆向工程学

  • 开发更有效的药品

  • 在健康信息学方面取得成就

  • 修复和改善城市基础设施

  • 保护网络空间

  • 提供饮用水

  • 提供聚变能源

  • 预防核恐怖

  • 利用氮循环

  • 发明碳冻结工艺

  • 发明科学探索新工具

这些重大挑战分为四个交叉主题:可持续性发展、健康、降低人类面对灾难的脆弱性和提高生活质量。

申请美国顶尖大学的工科学生,你希望挑战哪个21世界的工程难题?

挑战1

Advance Personalized Learning

发展个性化学习

近年来,对个人喜好和能力的日益重视导致了更多的“个性化学习”,其中教学是根据学生的个人需求量身定制的。

个人学习方法的范围从学生可以按照自己的进度掌握的模块到旨在将内容呈现方式与学习者个性相匹配的计算机程序。

工程学可以做些什么来改善学习?

正在进行的神经科学研究正在为学习背后的神经过程的复杂性提供新的见解,为进一步完善个性化教学提供线索。

鉴于个人偏好的多样性以及每个人大脑的复杂性,开发优化学习的教学方法是未来软件工程师面临的主要挑战。

工程师将在这些复杂问题的大多数方面发挥作用,尽管解决方案需要来自许多学科的人的贡献。

随着神经科学和医学测量技术的进步探索大脑学习的基础,进一步的挑战等待着我们。在高级软件中掌握这些过程可以使学习更加可靠。

新的研究甚至可能提供诸如立即获取知识之类的途径,例如电影“黑客帝国”中名为 Trinity 的角色,通过即时下载到她的大脑来学习驾驶直升机。

如此复杂的知识转移在21世纪可能不会变得司空见惯,但有这样场景的电影可能不再被视为牵强附会。

详情链接:

http://www.engineeringchallenges.org/challenges/learning.aspx

挑战2

Make Solar Energy Economical

更加容易地获取太阳能

作为一种能源,没有什么能与太阳相提并论。它超越了人类技术所能生产的任何东西。

太阳输出的能量只有一小部分到达地球,但即便如此,它也提供了人类在地球上使用的所有商业能源的10000 倍。

你如何存储太阳能?

无论先进的太阳能电池如何廉价高效地发电,太阳能广泛使用的主要障碍仍然存在:存储需求。

多云天气和夜间黑暗中断了太阳能的可用性。在阳光充足的时间和地点,它的能量必须被捕获和储存以供其他时间和地点使用。

许多技术提供了大容量存储机会。抽水(用于回收水力发电)或大型电池组是行之有效的能量存储方法,但当扩大到电网比例时,它们面临严重问题。

新材料可以大大提高电容器、超导磁体或飞轮的效率,所有这些都可以在许多应用中提供方便的电力存储。

存储问题的另一种可能解决方案是模拟植物光合作用对阳光的生物捕获,植物将太阳能存储在可用作食物的分子化学键中。这种植物利用阳光生产食物的方式可以被人们复制来生产燃料。

例如,阳光可以为水的电解提供动力,产生氢气作为燃料。然后氢可以为燃料电池提供动力,这种发电设备几乎不产生污染副产品,因为氢与氧结合再次产生水。

但有效地分解水需要提高化学反应效率,也许是通过设计新的催化剂。自然界的催化剂,酶,可以比目前的工业催化剂以更高的效率从水中产生氢气。

开发与活细胞中发现的催化剂相匹配的催化剂将极大地提高太阳能生产燃料电池存储系统对太阳能经济的吸引力。

燃料电池还有其他优点。它们可以广泛分布,避免集中发电的漏洞。

如果在改进太阳能电池、降低其成本和提供有效的方法来利用它们的电力来制造可储存的燃料方面能够解决工程挑战,那么太阳能将证明其优于化石燃料作为文明持续繁荣的可持续动力。

详情链接:

http://www.engineeringchallenges.org/challenges/solar.aspx

挑战3

Enhance Virtual Reality

加强虚拟现实技术

对大多数人来说,虚拟现实主要由巧妙的幻觉组成,用于增强电脑视频游戏或丰富科幻电影的情节。

好莱坞电影中虚拟现实的描述范围从 1983 年“头脑风暴”的粗略视频观看装置到被称为“黑客帝国”的整个虚拟世界。

但在许多专业领域,从精神病学到教育,虚拟现实正在成为培训从业者和治疗患者的强大新工具,除了它在各种娱乐形式中的应用越来越多。

例如,虚拟现实已经被用于工业设计。工程师们正在“虚拟地”制造整个汽车和飞机,以测试设计原则、人体工程学、安全方案、维护通道等。

需要哪些工程进展?

为了让虚拟现实系统有效地完全模拟现实,必须克服几个工程障碍。

视频显示的分辨率必须足够高,刷新和更新速度足够快,才能使场景看起来像现实生活中那样变化。视野必须足够宽,光影必须足够逼真,以保持真实场景的幻觉。对于严肃的模拟,再现声音、触觉和运动的感觉尤其重要。

尽管在所有这些方面都取得了进步,但虚拟现实仍然达不到其一些更雄心勃勃的描绘。

虚拟环境的细粒度细节无法精确再现。特别是,在场景中放置逼真的“虚拟人”与用户进行交互是一项艰巨的挑战。

渲染一个可以有目的地与真人互动的虚拟人——例如,通过语音识别、生成有意义的句子、面部表情、情绪、肤色和色调以及肌肉和关节运动——仍然超出了人类的能力范围。

触摸带来了特别艰巨的挑战。对于某些用途,包含传感器的手套可以记录用户手部的运动并提供触觉反馈,但有些粗糙。

这不足以训练外科医生,当外科医生在切割虚拟组织时,应该在组织的不同位置感受到对手术刀运动的不同程度的阻力。

此外,使用当今的技术,您无法感觉到虚拟家具的意外碰撞。

解决此类问题的努力尚处于起步阶段。一种可能的方法是利用电流变流体,当暴露于不同强度的电场时,电流变流体会改变其厚度。

也许先进的虚拟现实计算机可以利用这种效果发送电信号来调整手套或服装的触摸阻力,为用户提供触摸反馈。

它本身可能不是虚拟现实,但一个相关的概念似乎也在网络空间中发展起来,因为万维网已经成为整个世界的宿主,这些世界由现实世界所有者指导的虚拟人组成。

一个名为“第二人生”的网站已经拥有数百万参与者,其中一些人只是访问,一些人购买虚拟财产、建立虚拟业务,并通过各种沟通渠道与其他居民交流和建立关系。

更重要的是,这样的世界可能正在与现实世界融合,因为物理环境的计算机记录(可通过谷歌地球或微软的虚拟地球获得)可以与像第二人生这样的网站交错。

然后就可以虚拟访问真实地点,探索城市的餐馆和酒店,并参与其他虚拟旅游活动。

详情链接:

http://www.engineeringchallenges.org/challenges/virtualreality.aspx

挑战4

Reverse-Engineer the Brain

发展大脑逆向工程学

工程学和神经科学的交叉有望在医疗保健、制造和通信方面取得巨大进步。

几十年来,一些工程界最优秀的人才将他们的思维技能集中在如何创造思维机器上——能够模拟人类智能的计算机。

对大脑进行逆向工程需要什么?

要充分发挥大脑教我们如何让机器学习和思考的潜力,首先需要在技术上取得进一步的进步,以了解大脑。

同时测量许多脑细胞活动的现代无创方法在这个方向上提供了重大推动,但大脑秘密通信代码的细节仍有待破译。

另外,梳理和分析神经细胞信号的所有复杂性、它们的动力学、通路和反馈回路,是一项重大挑战。

今天的计算机具有打开或关闭的电子逻辑门,但如果工程师能够复制神经元承担不同级别激发的能力,他们就可以创造出更强大的计算机器。

无论如何,成功地完全理解大脑活动将为更深入地理解智力甚至意识的基础开辟新的途径,毫无疑问,这将为工程师提供洞察更伟大成就的洞察力,以提高生活的乐趣。

详情链接:

http://www.engineeringchallenges.org/challenges/9109.aspx

挑战5

Engineer Better Medicines

开发更有效的药品

工程师正在开发新系统来使用遗传信息、感知身体的微小变化、评估新药和提供疫苗。

医生们早就知道,人们对疾病的易感性和对药物的反应各不相同。

但是,在理解和适应个体差异方面几乎没有指导,所开发的治疗方法通常是针对大多数人而非少数人进行标准化的。

工程学在创造个性化医疗方面的作用是什么?

实现药物发现的工程挑战反映了实现个性化医疗所需的挑战:开发更有效的工具和技术以进行快速分析和诊断,以便可以快速筛选各种药物并及时应用适当的治疗方法。

当前的药物经常被错误地或不必要地开处方,促进了耐药性的发展,而没有真正的医疗益处。

更快、更精确的诊断可能会促进更有针对性和更有效的治疗。人们通常会寻找能够攻击多种细菌的抗生素,因为医生无法始终确定引起感染的确切细菌。

可以立即确定真正罪魁祸首的仪器可能会导致使用更窄的靶向药物,从而降低产生耐药性的风险。

开发生物体特异性抗生素可能成为本世纪最重要的生物医学工程挑战之一。

对于专门设计为武器的生物制剂,这可能尤其具有挑战性。

必须建立一个系统来快速分析他们攻击身体的方法并快速生产出合适的药物。

传统疫苗已证明具有预防疾病的能力,甚至可以根除一些疾病,例如天花。也有可能设计疫苗来治疗疾病。

可以设想个性化疫苗用于这两种用途。但是,疫苗需要更有效和更可靠的制造方法,尤其是在应对大流行的大规模免疫需求时。

详情链接:

http://www.engineeringchallenges.org/challenges/medicines.aspx

挑战6

Advance Health Informatics

在健康信息学方面取得成就

更强大的卫生信息系统不仅可以改善日常医疗就诊,而且对于应对流行病和生物或化学袭击至关重要。

如何做好应对疫情的准备?

没有什么能像自然生物学那样带来如此大的破坏潜力。从在 14世纪的黑死病中杀死一半欧洲文明的细菌到1918年导致 2000万人死亡的西班牙流感,历史见证了疾病消灭大部分人口的力量。

在21世纪,流感——或其他一些未知的病毒威胁——可能会影响医学科学的反应能力,这一前景仍然是真实的。由称为 H5N1的病毒株传播的禽流感作为一种特别明显和现实的危险迫在眉睫。

大流行防范的一个主要目标是建立一个良好的早期预警系统,依靠全球监测来检测正在传播的传染病的发作。

一些这样的系统现在已经到位,监控医院访问和药物或实验室测试订单的数据。这些事件的突然增加可能预示着爆发的初始阶段。

但是某些事件可以掩盖这些统计数据中的趋势,需要更复杂的监控策略。

这些可能包括跟踪公共网站点击量以解释急性症状并将它们链接到地理编码,例如邮政编码。拥有综合的国家信息技术基础设施将大有帮助。

在某些情况下,学校或企业的关闭和隔离实际上可能会减少医院的使用,人们甚至可能会因为害怕被感染而故意远离医院。

另一方面,疾病的谣言可能会将许多健康人送到医院进行预防治疗。在任何一种情况下,用于大流行趋势分析的数字都可能存在偏差。

分析数学的新方法会有所帮助——尤其是当数学描述医疗保健使用措施之间的关系网络时。换句话说,不仅监视单个数据流,而且监视一种度量与另一种度量的比率等关系,可以提供对正在发生的事情的更敏感的度量。

这些类型的分析有助于确保特定城市由于临时人口涌入(例如奥运会)而导致的医疗保健使用激增不会被误认为是流行病的开始。

同样,当潜在的大流行确实开始时,数学方法也可以帮助制定最有效的医疗应对计划。抗击流行病的策略范围从限制旅行和关闭学校到广泛的隔离,以及接种疫苗或使用抗病毒药物治疗。

这些方法的有效性取决于许多变量——病毒的传染性和致命性、抗病毒药物和疫苗的可用性,以及公众对隔离或旅行限制的遵守程度。

同样,理解网络数学将发挥作用,因为响应系统必须考虑到人们如何互动。

目前处于早期阶段的对这些方法的研究表明,疫苗和药物的快速部署对于遏制大流行的影响至关重要。

因此,必须设计大量生产疫苗的新策略,也许使用更快的细胞培养方法,而不是传统的在受精卵中培养病毒。

需要一个系统来快速获取病毒样本,对其进行测序,然后快速设计药物和疫苗。该系统需要具备能够实现快速测试的技术,同时还需要一个加速监管过程的系统。

如果紧急病毒爆发威胁到在数天或数周内广泛传播的疾病和死亡,那么需要数年时间的监管批准将弄巧成拙。

信息系统在帮助保护公共安全和促进个人医疗保健方面的价值是毋庸置疑的。

但是,所有这些新的数据库和技术带来了额外的挑战:防止信息泄露或滥用的危险。

在开发这些技术时,还必须采取措施确保信息本身不会受到破坏的风险,并且个人信息不会被不当泄露。

详情链接:

http://www.engineeringchallenges.org/challenges/informatics.aspx

挑战7

Restore and Improve Urban Infrastructure

修复和改善城市基础设施

良好的设计和先进的材料可以改善交通和能源、水和废物系统,并创造更可持续的城市环境。

你如何建立更好的基础设施?

新型建筑材料可能有助于解决其中一些挑战。但是,只有开发全新的施工方法,才有可能取得巨大进展。

大多数手工建造的基本方法已经存在了几个世纪——甚至几千年。

计算机科学和机器人技术的进步应该使施工中更多的自动化成为可能,例如,大大加快施工时间并降低成本。

连接大型中央站和分散电源的电力网络也将受益于更大的嵌入式计算。

所有这些努力都必须以明确的审美价值来实现,这些价值超越了单纯的功能并有助于生活的乐趣。

例如,长期以来,主要桥梁一直被视为几乎与交通工具一样多的艺术作品。

桥梁、建筑物,甚至高速公路都有助于提升城市的美感,而精心设计的设计有助于营造更令人愉悦的城市环境。

在过去的几十年中,其他大部分城市基础设施的建设并没有过多关注其对城市外观和文化环境的影响。

然而,最近对工程美学的认识开始更普遍地影响基础设施设计。将基础设施需求与城市绿地需求相结合就是一个例子。

处理城市雨水径流的项目已经展示了结合美观项目的机会。

使用景观设计来帮助管理径流水的流动,有时也被称为“绿色基础设施”,除了有助于消除污染之外,还可以增加城市的吸引力。

需要重新考虑城市广阔的铺砌区域,或许可以通过设计降低顶部温度和可渗透的人行道,让雨水到达下方的地表。

适当的工程方法可以实现多个目标,例如更好的雨水排放和更清洁的水,同时还可以改善景观外观,改善野生动物的栖息地,并为人们提供休闲空间。

重建和加强城市基础设施面临的问题不仅仅是寻求工程解决方案。必须解决和克服各种政策和政治障碍。

正如美国土木工程师协会的“成绩单”所记录的那样,许多领域的基础设施项目资金严重不足。在更换基础设施之前让基础设施磨损,而不是在其生命周期内进行技术改进的做法只会加剧问题。

因此,基础设施工程面临的一项重大挑战不仅在于设计新的方法,而且在于将它们的价值传达给整个社会。

详情链接:

http://www.engineeringchallenges.org/challenges/infrastructure.aspx

挑战8

Secure Cyberspace

保护网络空间

这不仅仅是防止身份盗用。银行、国家安全和物理基础设施中的关键系统可能面临风险。

21世纪的个人隐私和国家安全都依赖于被称为网络空间的信息共享电子网络,直到20世纪末才存在的系统。

保护网络空间的工程解决方案是什么?

从历史上看,计算机保护的常用方法是所谓的“外围防御”。

它是通过在子网的入口点放置路由器和“防火墙”来阻止外部攻击者的访问来实现的。

网络安全专家深知外围防御方法行不通。所有这些防御最终都可以被穿透或绕过。

即使没有此类漏洞,系统也可能会受到损害,因为当用虚假请求淹没网站时会导致服务器崩溃,这种攻击称为“拒绝服务”攻击,或者当坏人已经在外围时。

目前的问题比潜在的解决方案更明显。很明显,工程需要开发创新来解决一长串网络安全优先事项。

一方面,需要更好的方法来验证计算机系统中的硬件、软件和数据并验证用户身份。指纹读取器等生物识别技术可能是朝这个方向迈出的一步。

一个关键的挑战是设计更安全的软件。一种方法可能是通过更好的编程语言,这些语言在编写程序的方式中内置了安全保护。

并且需要能够在安装软件之前检测易受攻击的功能的技术,而不是在软件投入使用后等待攻击。

另一个挑战是为通过 Internet 上各种路由流动的数据提供更好的安全性,以便信息不能被转移、监控或更改。

可以利用当前用于在Internet上引导数据流量的协议来使消息看起来像是来自其他地方而不是它们的真实来源。

所有实现安全的工程方法都必须伴随着监控和快速检测任何安全漏洞的方法。然后一旦发现问题,采取对策和修复和恢复的技术也必须到位。

该过程的一部分应该是新的取证方法,用于发现和抓捕实施网络犯罪或网络恐怖主义的罪犯。

最后,工程师必须认识到,网络安全系统的成功取决于了解整个系统的安全性,而不仅仅是保护其各个部分。

因此,必须在个人、社会和政治战线上以及电子战线上打击网络犯罪和网络恐怖主义。

除其他外,这意味着要考虑计算机用户的心理——如果安全系统是繁重的,人们可能会避免使用它们,而更喜欢便利性和功能性而不是安全性。

需要对人们如何与计算机、互联网以及一般信息文化进行交互进行更多研究。

文化和社会影响会影响人们使用计算机和电子信息的方式,从而增加网络安全漏洞的风险。

更好地了解导致蓄意计算机犯罪的心理学和社会学也将有所帮助。系统必须安全,不仅要防范外部人员,还要防范可能从内部破坏系统的内部人员。

此外,需要评估有关网络安全的法律法规对人们如何使用或滥用电子信息的影响。

也许最重要的是,需要调动政治力量来支持和资助完成保护网络空间免受攻击的复杂任务所需的许多研究领域。

详情链接:

http://www.engineeringchallenges.org/challenges/cyberspace.aspx

挑战9

Provide Access to Clean Water

提供饮用水

世界供水面临新的威胁;负担得起的先进技术可以为全世界数百万人带来改变。

今天,饮用水和其他用途的水供应是世界许多地区的一个关键问题。

还有哪些技术可以提供干净的水?

例如,正在开发技术以改进废水和污水处理的回收利用,以便将水用于灌溉或工业用途等非个人用途。

循环水甚至可以补充含水层。但是非常有效的净化方法和严格的保护措施对于保护循环水的安全是必要的。

解决水问题的另一种技术方法涉及制定减少用水的策略。农业灌溉消耗大量的水;在发展中国家,灌溉用水量通常超过总用水量的80%。

改进技术以更有效地为作物供水,例如“滴灌”,可以大大减少农业用水需求。

一些国家,例如约旦,已经通过滴灌技术大幅减少了用水量,但这并不是植物生长的完美解决方案(例如,它不能提供足够的水来清洁土壤)。

城市供水系统的失水也是一个重大问题。

另一种提高水资源可用性和安全性的策略是小型分散式蒸馏装置,在基础设施和分配问题严重的地方,这是一种特别有吸引力的方法。

主要问题之一是向农村和低收入地区经济分配水。

目前的一些项目正在努力生产廉价的蒸馏装置,可以去除任何水源中的污染物。一个比洗碗机还小的装置可以为 100 人提供日常清洁水。

这种方法将有助于解决水资源分配不公这一非常现实的问题。即使在特定国家内,富人也可能获得清洁、廉价的水,而穷人则必须以更高的成本从中间供应商或不安全的自然资源中寻找供应。

世界水资源问题的技术解决方案必须在能够识别和解决这些不公平现象的系统内实施。

详情链接:

http://www.engineeringchallenges.org/challenges/water.aspx

挑战10

Provide Energy from Fusion

提供聚变能源

人类工程融合已在小范围内得到证明。面临的挑战是以高效、经济和环境友好的方式将工艺扩大到商业规模。

例如:锂有朝一日可能成为核聚变发电的关键元素,它是太阳和氢弹的能源。基于锂和使用氢作为燃料的发电厂原则上可以在未来提供主要的可持续清洁能源。

聚变能安全吗?

从安全的角度来看,它不会造成核反应失控的风险——首先要让聚变反应进行是非常困难的,以至于可以通过消除燃料注入来迅速停止。

在工程师学会如何控制来自氘和氚燃料的第一代聚变等离子体后,先进的第二代或第三代燃料可以将放射性降低几个数量级。

当然,最终聚变作为能源供应商的成功将取决于能否以一种使聚变电力的成本具有经济竞争力的方式来应对建造发电厂并安全可靠地运行它们所面临的挑战。

好消息是,第一轮挑战的定义明确,应对这些挑战的动机很强,因为聚变燃料提供了充足的供应和最小的环境后果的不可抗拒的组合。

建造全面的聚变发生设施将需要工程进步来应对所有这些挑战,包括更好的超导磁体和先进的真空系统。

欧盟和日本正在设计国际聚变材料辐照设施,在那里将开发和测试可能用于聚变设备用途的材料。还必须开发用于维护和维修的机器人方法。

虽然这些工程挑战相当大,但聚变提供了许多超越其几乎无限燃料供应前景的优势。

详情链接:

http://www.engineeringchallenges.org/9079.aspx

挑战11

Prevent Nuclear Terror

预防核恐怖

对防止和应对核攻击的技术的需求正在增长。

可能的工程解决方案是什么?

一种可能的工程解决方案是开发一种位于反应堆附近的无源装置,该装置可以传输有关反应堆内容物的实时数据,从而背叛任何钚的去除。

如果这种装置还可以检测到反应堆正在以最大化钚产量而不是功率的方式运行的迹象,那么这种装置将特别有用。这种装置已经在设计和测试中。

当然,如果危险的核材料从动力反应堆中转移,或者更有可能从其他来源转移,阻止它们运输到可能的使用点仍然是一个严重的问题。

保护美国边境免遭核侵犯是一项艰巨的挑战,因为如此多的进口产品是通过大型集装箱合法运入该国的。

对每个集装箱进行单独检查既昂贵又具有破坏性——每个集装箱可装载 30 吨,每年大约有 1000 万吨到达美国。

已经提出或测试了各种检测隐藏在此类容器中的核材料的方法,但大多数都是无效的。

不过,一种新方法显示出了希望。绰号“nuclear car wash”,它由一个复杂的扫描系统组成,容器在传送带上经过时,就像车辆滑过自动洗车一样。

当容器通过设备时,它们会接收中子脉冲,这是一种常见的亚原子粒子,通常用于引发核反应。

在这种情况下,中子会引起容器内任何武器级核材料的裂变。反过来,裂变产生的放射性物质会发射伽马射线,这是一种可以从容器外部可靠地检测到的辐射形式。

尽管如此,它仍会留下残留的放射性,并且可以用大量的水进行屏蔽。高能 X 射线不会留下放射性,甚至可以检测到对射线的屏蔽,

可以设计一个模拟程序来帮助托运人包装,确保它为当前的内容安全扫描留下可接受的细节。激励措施可能包括在物品被包装屏蔽时对更复杂的扫描收费。

俄罗斯和美国桑迪亚国家实验室之间已经有实时相互监视系统在运行,以确保没有未经授权的人进入储存武器可用材料的容器。工程师面临的挑战是以合理的成本扩展此类计划。

毫无疑问,其他核挑战将浮出水面,需要额外的工程方法来防止各种可能的核攻击。

但系统和核工程师的独创性,以及基础物理学研究提供的对自然核秘密的深刻理解,鼓励人们在21世纪迎接这些挑战。

详情链接:

http://www.engineeringchallenges.org/9134.aspx

挑战12

Manage the Nitrogen Cycle

利用氮循环

工程师可以通过更好的施肥技术以及捕获和回收废物来帮助恢复氮循环的平衡。

它没有提供像“全球变暖”那样引人入胜的标签,但人类引起的全球氮循环变化带来的工程挑战与应对燃烧化石燃料作为能源的环境后果一样重要。

工程学能做什么?

在未来保持可持续的食物供应而不过度破坏环境将需要巧妙的方法来补救人类对氮循环的破坏。

在过去的四年里,由于在肥料的帮助下开发了最佳种植的新高产作物品种,粮食生产已经能够跟上人口增长的步伐。

增加反硝化作用的工程策略可以帮助减少固定氮的过量积累,但挑战在于创造氮分子——而不是一氧化二氮,即温室气体N 2 O。

同样,应改进技术方法,以帮助进一步控制燃料高温燃烧产生的氮氧化物的释放。

工程创新的一个主要需求将是提高与氮相关的各种人类活动的效率,从制造肥料到回收食物垃圾。

目前,农业实践产生的固定氮中只有不到一半最终用于收获的作物。这些作物中不到一半的氮实际上最终存在于人类消费的食物中。

换句话说,固定氮在过程的各个阶段都会从系统中泄漏出来——从农田到饲养场,再到污水处理厂。工程师需要确定泄漏点并设计系统来堵塞它们。

例如,更有效地施肥的技术方法可以确保更高比例的肥料以有机氮的形式进入植物。

其他创新可以帮助减少径流、浸出和侵蚀,这些将大部分氮肥从植物中带走并进入地下水和地表水。还有其他创新可以专注于减少土壤和水系统的气体排放。

效率收益也可以来自有机废物的回收利用。

粪便一直被认为是一种有效的肥料,但牛饲养场和奶牛场与种植农作物的土地之间的距离使得运输粪便的成本很高。

此外,粪便和食物垃圾有其自身的一系列环境挑战,包括它们作为甲烷和一氧化二氮等强温室气体来源的作用。

工程挑战包括找到捕获这些气体用于有用目的的方法,以及将粪便转化为颗粒状有机肥料。

需要专注于减少废物产生的温室气体和其他气体排放的综合方法,同时提高其作为经济运输肥料的潜力的解决方案。

在解决氮循环问题时,专家们必须记住,化肥和农业在促进全球粮食生产方面发挥了核心作用,有助于避免世界许多地区的大规模饥饿。

努力减轻氮循环对农业的破坏可能会增加食品成本,因此必须采取这些措施与限制其对生活贫困人口的影响的努力相一致。

详情链接:

http://www.engineeringchallenges.org/9132.aspx

挑战13

Develop Carbon Sequestration Methods

发明碳冻结工艺

工程师们正在研究捕获和储存过量二氧化碳以防止全球变暖的方法。

二氧化碳排放量的增长被认为是导致全球变暖的主要因素,这是一个不能再被掩盖的问题。但也许它可以深埋在地下或海底。

你如何储存 CO2?

已经研究了几种地下可能性。合乎逻辑的地方包括古老的天然气和油田。

例如,储存在枯竭油田中具有重要的经济优势——二氧化碳与剩余的油相互作用,使其更容易去除。

一些油田已经利用二氧化碳来提高难以开采的石油的采收率。注入二氧化碳可以驱除被困在地下岩石孔隙中的石油,而二氧化碳的存在减少了阻碍石油通过岩石流向油井的摩擦。

然而,枯竭的油气田没有能力储存最终需要隔离的二氧化碳量。

据估计,到本世纪末,世界将需要能够容纳一万亿吨二氧化碳的水库。该数量可能被含有咸水(盐水)的孔隙的沉积岩层所容纳。

最好的沉积盐水地层将是那些深度超过800米的地层——远低于饮用水源,并且处于高压将二氧化碳保持在高密度状态的深度。

含有盐水的沉积岩大量可用,但人们仍然担心它们是否足够安全,可以将二氧化碳储存数百年或数千年。

上覆岩石中的断层或裂缝可能会使二氧化碳缓慢逸出,因此仔细选择、设计和监测此类储存地点将是一项工程挑战。

对泄漏的担忧向一些专家表明,最好的策略可能是将二氧化碳注入海底下的沉积物中,从而真正地将二氧化碳深化。

来自上方的高压会将二氧化碳保持在沉积物中并远离海洋本身。与其他方法相比,它的实施成本可能更高,但无需担心泄漏。

在一些沿海二氧化碳生产地点的情况下,海洋封存可能是比将其运输到遥远的沉积盆地更具吸引力的策略。

工程师也有可能开发出基于自然过程的二氧化碳封存新技术。

例如,当大气中的二氧化碳浓度在地质时期增加到某个未知阈值时,它会进入海洋并与带正电荷的钙离子结合形成碳酸钙——石灰石。

同样,工程师可能会设计出将二氧化碳注入海洋的方法,以将其永久锁定在岩石中。

解决这个问题很可能需要多种策略和存储位置,但成功的前景似乎很高。

链接详情:

http://www.engineeringchallenges.org/9077.aspx

挑战14

Engineer the Tools of Scientific Discovery

发明科学探索新工具

在未来的一个世纪里,工程师将继续与科学家合作,共同探索许多未解之谜的自然问题。

在大众心目中,科学家和工程师有不同的工作描述。科学家探索、实验和发现;工程师创造、设计和建造。

但实际上,这种区别是模糊的,工程师以多种方式参与到科学发现过程中。

大型实验和探索任务总是需要工程专业知识来设计工具、仪器和系统,以便获得有关物理和生物世界的新知识。

在未来的一个世纪里,工程师将继续与科学家合作,共同探索许多未解之谜的自然问题。

工程学将如何帮助我们探索宇宙?

就其深奥而言,只有一个问题可以与意识的问题相提并论——宇宙是否是地球以外其他任何地方的生命形式的宿主。

能够探测宇宙以获取证据的系统无疑代表了工程学最大的挑战之一。

即使撇开地球外生命的问题不谈,太空探索也是一个相当大的挑战。

长途人类太空飞行面临着许多障碍,从辐射的危险到需要提供可持续的食物、水和氧气来源。

工程专业知识对于克服这些障碍至关重要,并且正在进行许多扩展该专业知识的努力。

例如,一项研究设想了一组由精心挑选的微生物组成的连接生物反应器。微生物的新陈代谢可以将人类废物(在某些情况下是微生物自身的废物)转化为支持长期太空旅行所需的资源。

但太空的魅力远远超出了寻求新生活和探索新现象的渴望。

空间代表存在本身的奥秘。宇宙的大小和年龄超出了大多数人的理解。

它的许多不太明显的特征已经被现代天体物理学的方法和工具所理解,令人惊讶的是,我们的整个宇宙似乎是从一个无限小点的初始火球中诞生的。

物质和能量合并成星系、恒星和行星等结构,支持构成矿物、植物和动物的更复杂的原子排列。

在所有这些令人信服的复杂性之下隐藏着一个令人尴尬的事实——科学家们不知道宇宙的大部分是由什么组成的。

我们只了解宇宙中所有物质和能量的一小部分。物质的绝大部分是身份不明的黑暗形态,更丰富的是一种神秘的能量,它对空间产生排斥力,促使宇宙以越来越快的速度膨胀。

工程师一直致力于寻找更好、更便宜的方法来搜索空间以寻找这些问题的答案。

地面和太空中的新型和改进型望远镜构成了调查武器库的一部分。其他设备测量在太空中荡漾的重力波,或检测被称为中微子的难以捉摸的轻质粒子的通量。

这些方法和其他方法能否揭示出足够的光来揭示宇宙最黑暗的秘密仍然未知。

可能还需要对地球材料进行进一步的研究,同时继续用思想的力量攻击物理学问题,爱因斯坦使用的方法非常成功。也许只有当科学家们能够成功地发现物理的终极定律时,答案才会出现。

在这方面,潜在的问题是,是否存在像爱因斯坦所相信的那样,在一个统一的数学框架中包含所有物理学的单一的、最终的基本定律。

找出答案可能需要新的工具来解开物质和能量的秘密。也许工程师将能够设计出更小、更便宜但更强大的原子粉碎机,使物理学家能够探索当前技术无法实现的领域。

发现统一定律的另一个可能途径可能是更深入地了解世界上最小和最基本的构建块是如何工作的,这是量子物理学的基础。

工程师和物理学家已经在合作开发基于量子原理的计算机。除了可能的实用价值外,此类计算机还可能揭示对量子世界本身的新见解。

综上所述,对于工程师、科学家和社会本身而言,大自然的前沿代表着最大的挑战。

工程学在寻找自然奥秘方面的成功,不仅将增进对生命和宇宙的理解,也为工程师提供了奇妙的新前景,以应用于企业,增强生活的乐趣和人类文明的活力。

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http://www.engineeringchallenges.org/8965.aspx

从城市中心到地球的偏远角落,从海洋深处到太空,人类一直在寻求超越障碍、克服挑战并创造机会,以改善我们宇宙中的生活。

尽管很多工程成就令人瞩目,但还有更多巨大的挑战和机遇有待实现。

申请美国顶尖大学的工科学生,发动你的创造、设计和制造才能,为解决这些21实际的工程难题做出贡献,说不定下一个爱因斯坦就是你

*文章为作者独立观点,著作权归作者所有
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