Nền tảng mới cho hoạt động xây dựng và bảo trì
Mặc dù là một trong những ngành công nghiệp lớn nhất và đóng góp 40% lượng khí thải CO2 toàn cầu, ngành xây dựng lại đang chậm chân trong việc đón nhận những tiến bộ của công nghệ số. Tuy nhiên, các công nghệ nhập vai hứa hẹn sẽ là bước ngoặt thay đổi tình hình này.
Các công nghệ nhập vai kết hợp sức mạnh tính toán của AI với thực tế ảo (VR) và thực tế tăng cường (AR), cho phép các nhà thiết kế và chuyên gia dự đoán các thách thức có thể phát sinh và đưa ra hướng giải quyết trước khi bắt đầu xây dựng. Các mô hình ảo (virtual prototyping) và thử nghiệm ảo sẽ giúp tăng độ chính xác khi áp dụng vào thực tế.
Bản sao số (digital twins) - vốn đã được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực công nghiệp - có thể giúp ngành xây dựng mô phỏng những dự án phát triển đô thị phức tạp, bao gồm tối ưu hóa thiết kế và tìm vị trí tốt nhất cho cơ sở hạ tầng đường sá, hệ thống cấp nước, mạng lưới điện v.v. Ngoài ra, không gian ảo (metaverse) sẽ giúp việc bảo trì và kiểm tra công trình trở nên hiệu quả hơn, vì người ta có thể kiểm tra tình trạng của một công trình từ xa hoặc mô phỏng các tình huống bảo trì khác nhau mà không nhất thiết phải đến tận hiện trường.
Công nghệ nhập vai còn hứa hẹn sẽ cách mạng hóa việc đào tạo nhân lực xây dựng, tạo ra các môi trường học tập trực tuyến sống động và tương tác, giúp người học dễ dàng tiếp cận kiến thức chuyên môn bất cứ lúc nào, bất cứ nơi đâu.
Tuy nhiên, các công nghệ nhập vai cũng phải đối mặt với một số thách thức liên quan đến vấn đề bảo mật thông tin và đảm bảo nguồn cung cấp năng lượng ổn định, đặc biệt ở các nước đang phát triển.
Các quốc gia dẫn đầu về đầu tư và tài trợ cho công nghệ nhập vai trong lĩnh vực xây dựng trong giai đoạn 2021-2023:
7. Vật liệu đàn hồi nhiệt (Elastocalorics)
Cấp năng lượng cho các máy bơm nhiệt
Elastocalorics là một lĩnh vực phát triển nhanh chóng, liên quan đến các công nghệ và vật liệu có khả năng hấp thụ hoặc giải phóng nhiệt khi bị biến dạng cơ học (đàn hồi).
Ứng dụng nổi bật của elastocalorics là trong máy bơm nhiệt (heat pump), nơi các vật liệu như niken và titan được dùng để tạo ra hiệu ứng làm lạnh hoặc sưởi ấm, tương tự như cơ bắp co giãn để tạo ra năng lượng. Các máy bơm nhiệt này đang chứng minh hiệu quả năng lượng cao hơn so với các hệ thống sưởi ấm và làm mát truyền thống, đồng thời cũng được coi như một giải pháp thân thiện với môi trường vì không dùng khí ga gây hại tầng ozone.
Lĩnh vực elastocalorics đang tiến triển nhanh chóng, với số lượng bài báo khoa học tăng gấp đôi mỗi 22 tháng. Sự gia tăng đột biến các đơn đăng ký bằng sáng chế, đặc biệt trong ngành công nghiệp ô tô và làm mát, nhấn mạnh sự quan tâm thương mại ngày càng tăng đối với công nghệ này. Về mặt công nghệ, đã có sự cải tiến về vật liệu và thiết kế thiết bị; các trường đại học và công ty đã giới thiệu những nguyên mẫu mới có thể chứng minh được hoạt động của máy bơm nhiệt đàn hồi nhiệt.
Tuy nhiên, việc mở rộng quy mô của những máy bơm nhiệt này vẫn vấp phải một số khó khăn. Chúng cần dùng tới những vật liệu có thể chịu được hàng triệu chu kỳ co giãn mà không bị hỏng. Các nhà nghiên cứu đang cố gắng giải quyết vấn đề này bằng cách thử nghiệm với nhiều loại hợp kim kim loại và kỹ thuật sản xuất khác nhau. Bên cạnh đó, để vận hành máy bơm nhiệt, cũng cần có một hệ thống hiệu quả để tạo ra lực nén hoặc kéo giãn lên vật liệu.
Các quốc gia dẫn đầu về đầu tư và tài trợ cho công nghệ vật liệu elastocalorics trong giai đoạn 2021-2023:
8. Vi sinh vật thu giữ carbon (Carbon-capturing microbes)
Chuyển hóa CO2 thành những sản phẩm hữu ích.
Có hai cách thu giữ carbon chính bằng vi sinh vật. Loại thử nhất sử dụng các vi sinh vật quang hợp như khuẩn lam (tảo lam) và vi tảo để “ăn” CO2 khi được chiếu sáng. Loại thứ hai sử dụng các vi sinh vật để hấp thụ CO2, lấy năng lượng từ các nguồn như hydro, chất thải hữu cơ hoặc hóa chất. Cả hai cách đều thông qua vi sinh vật để chuyển đổi CO2 thành các sản phẩm mới hữu ích, chẳng hạn như nhiên liệu sinh học (biodiesel) hoặc thức ăn giàu protein cho chăn nuôi. Những sản phẩm đầu ra của mỗi hệ thống vi sinh vật có giá trị kinh tế khác nhau, do vậy các doanh nghiệp cần cân nhắc nhu cầu, khả năng và tài nguyên để chọn hệ thống phù hợp.
Sự phát triển của công nghệ mới được thúc đẩy mạnh mẽ bởi các tổ chức chuyên biệt về kỹ thuật di truyền tế bào. Công nghệ này hiện đã sẵn sàng bước vào giai đoạn sản xuất quy mô - một loạt công ty lớn như Seambiotic ở Israel, Alga Energy ở Tây Ban Nha và Bio Process Algae ở Mỹ đã xây dựng các cơ sở sản xuất thử nghiệm để nghiên cứu khả năng thương mại của hệ thống thu giữ carbon bằng vi sinh vật.
Tuy nhiên, công nghệ này vẫn cần vượt qua một số thách thức trước khi được áp dụng rộng rãi. Thứ nhất, vi sinh vật thường thích nghi với môi trường nhiệt độ thấp, trong khi khí thải công nghiệp thường có nhiệt độ cao, đòi hỏi phải sử dụng các thiết bị làm mát tiêu tốn năng lượng và cần nghiên cứu để cải thiện khả năng chịu nhiệt và chịu axit của vi sinh vật. Thứ hai, các hệ thống thu giữ carbon của vi khuẩn hiện có vẫn còn rất đắt đỏ. Cuối cùng, các địa điểm sản xuất cần nhiều ánh sáng mặt trời và nguồn năng lượng tái tạo hoặc năng lượng sạch, điều này không được đảm bảo ở tất cả các khu vực trên thế giới.
Các quốc gia dẫn đầu về đầu tư và tài trợ cho công nghệ thu giữ carbon bằng vi sinh vật trong giai đoạn 2021-2023:
9. Thức ăn chăn nuôi thay thế (Alternative Livestock Feeds)
Dinh dưỡng bền vững hơn cho môi trường
Thức ăn chăn nuôi thay thế có nguồn gốc từ côn trùng, protein đơn bào, tảo và chất thải thực phẩm. Chúng có thể giải quyết nhu cầu protein ngày càng tăng trong chăn nuôi động vật và giảm sự phụ thuộc vào các dạng thức ăn chăn nuôi truyền thống như đậu tương, ngô và lúa mì.
Hiện nay, gần 80% sản lượng đậu tương được dùng làm thức ăn chăn nuôi. Việc trồng đậu tương trên diện rộng đã dẫn đến những hậu quả môi trường tiêu cực, như phá rừng, mất đa dạng sinh học, lạm dụng phân bón v.v. Việc chuyển đổi sang canh tác thức ăn thay thế cho gia súc với những kỹ thuật mới có thể giảm thiểu tác động tiêu cực này với môi trường. Hơn nữa, thức ăn chăn nuôi thay thế có thể cung cấp nhiều dạng dinh dưỡng hơn so với thức ăn truyền thống, từ đó góp phần cải thiện sức khỏe của động vật và chất lượng của các sản phẩm từ chăn nuôi.
Chi phí sản xuất các nguồn thức ăn thay thế đang được đánh giá là rẻ hơn so với thức ăn truyền thống. Ví dụ, các trang trại có thể tận dụng chất thải hữu cơ để nuôi ấu trùng
ruồi lính đen vàbổ sung một phần ấu trùng ruồi lính đen vào chế độ ăn của gia súc, gia cầm hoặc thủy sản.
Nhiều công ty trên thế giới đã thành công trong việc giới thiệu các sản phẩm thay thế chất lượng vào thị trường. Giá trị toàn cầu của thị trường này hiện gần 4 tỷ USD và dự kiến sẽ tăng gấp đôi trong thập kỷ tới.
Tuy nhiên, thức ăn thay thế không phải là giải pháp phù hợp ở tất cả mọi nơi. Hiệu quả của nó liên quan tới nhiều yếu tố như nguồn lực địa phương, chi phí sản xuất, điều kiện môi trường và xã hội. Ngành công nghiệp này còn phải đối mặt với các thách thức khác như quy định môi trường, quan ngại đạo đức và sự cạnh tranh.
Các quốc gia dẫn đầu về đầu tư và tài trợ cho công nghệ thức ăn chăn nuôi thay thế trong giai đoạn 2021-2023:
10. Công nghệ gene cho ghép tạng (Genomics for Transplants)
Giải quyết tình trạng thiếu hụt nội tạng cho người cần cấy ghép
Cấy ghép nội tạng đã và đang cứu sống hàng triệu người trên thế giới. Tuy nhiên, nhu cầu về các cơ quan hiến tặng vẫn còn rất lớn. Các bác sĩ đã đạt được một cột mốc đáng chú ý khi ghép thành công thận lợn vào cơ thể người còn sống hồi tháng 3/2024. Đây là kết quả những hiểu biết sâu sắc về hệ gene và khả năng chỉnh sửa gene chính xác bằng kỹ thuật CRISPR-Cas9. Con lợn đã được chèn vào các gene có thể ảnh hưởng tới chức năng của thận để vượt qua rào cản miễn dịch của người và xóa bỏ các gene của virus có thể lây nhiễm cho bệnh nhân được ghép thận.
Các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm và nhận thấy
công nghệ chỉnh sửa gene kết hợp với các loại thuốc ức chế miễn dịch mới, có thể giúp cho các cá thể linh trưởng thử nghiệm sử dụng thận hoặc tim lợn để kéo dài sự sống thêm tới hàng tháng, thậm chí hàng năm. Mặc dù những người ghép nội tạng ở các ca ghép tạng lợn từ trước tới nay (2022, 2023, 2024) đã qua đời sau các thủ thuật, nhưng các bác sĩ tin rằng tỷ lệ sống sót sẽ tăng lên trong tương lai khi nghiên cứu và công nghệ tiếp tục phát triển.
Nếu “cấy ghép dị loài” trở thành một hình thức trị liệu phổ biến, nó sẽ không chỉ tác động đến chất lượng cuộc sống của hàng triệu bệnh nhân mà còn có thể mang lại những thay đổi về lực lượng lao động trong ngành y tế (giảm nhân viên tham gia vào quy trình lọc máu, tăng số người tham gia vào mọi khía cạnh của việc cấy ghép cơ quan và tế bào, bao gồm việc chăn nuôi lợn). Mặc dù ban đầu cấy ghép có thể tốn kém, nhưng về lâu dài, nó có thể rẻ hơn so với việc điều trị duy trì sự sống cho bệnh nhân như lọc máu thường xuyên hoặc nhập viện cấp cứu liên tục.
Tuy nhiên, việc ghép tạng từ động vật sang người đặt ra nhiều vấn đề đạo đức phức tạp, đòi hỏi sự nghiên cứu kỹ lưỡng từ nhiều lĩnh vực khác nhau, bao gồm cả chính sách, kinh doanh và xã hội.
Các quốc gia dẫn đầu về đầu tư và tài trợ cho công nghệ gene cho ghép tạng trong giai đoạn 2021-2023: