Gør grundforskning nytte?
Erkendelsesmæssigt ganske givet! Vi forstår sammenhænge i naturen, der i årtusinder har været domæne for overtro og har lagt irrationelle hindringer i vejen for menneskets udvikling, når det kommer til oplysning, sundhed, erkendelse, livskvalitet og teknologiske muligheder.
\ Historien kort
- Grundforskning gør i høj grad nytte, og dens resultater ender ofte med at blive anvendt til nye opfindelser som blandt andet laseren, rumteleskopet og CERN.
- Vi står i dag på tærsklen til den fjerde industrielle revolution, hvor maskiner kan kommunikere med maskiner. Det er muligt på grund af opfindelser, der har relation til grundforskning.
- Gennem grundforskning vil der uundgåeligt opstå vigtig ny viden og store idéer, der kan omsættes endnu flere muligheder for menneskeheden.
Vi har brudt med overtro-baserede idéer om, at jorden er flad, at jorden er centrum i universet, at alle væsner blev skabt, som de er i dag.
I stedet har vi omfavnet erkendelsen af, at vi kun opnår reel viden ved den videnskabelige metode, og ikke ved fantasibaserede slutninger om det, vi ikke ved noget om endnu.
Grundforskning og videnskab er en fundamental tilgang til at forstå vores verden, vores univers, vores indre og vores mellemmenneskelige samspil.
Videnskaben udmærker sig ved at søge en fælles beskrivelse, som kan bruges overalt på tværs af kulturelle skel, geografisk placering eller endda planetariske afgrænsninger.
Videnskaben søger at finde objektive forklaringer. Og videnskabsfolk søger fælles forståelse og fælles beskrivelsesramme. Og det virker. I modsætning til overtroiske forklaringsmodeller.
\ Læs mere
Fra Galileos kikkert til Hubbles rumteleskop
Jamen, gør grundforskning så praktisk nytte?
I allerhøjeste grad. Al højteknologi i dag er baseret på fundamentale videnskabelige gennembrud gennem århundreder. Og alle store teknologiske gennembrud bygger på erkendelsesmæssig og anvendelsesmæssig nytænkning.
Grundforskning og naturvidenskab er grundpiller i vores samfund. Det er vores værn mod overtro, det er vores bro til sikker viden, det er grundlaget for værktøjskassen, der kan bruges til at skabe nye teknologier, der skal forbedre vores leveforhold.
Teknologi og grundforskning har altid gået hånd i hånd – kikkerten og Galileo gjorde nye observationer mulige for at forstå vores solsystem og især månerne om Jupiter. Man kunne nu måle mere nøjagtigt end med de instrumenter, Tycho Brahe havde til rådighed.
Dette er et tidligt eksempel på udvikling af redskaber, der går ud over vores egne sansers begrænsninger, så vi kan observere ting, vi ellers ikke ville kunne. Mikroskopet kom hurtigt efter og gjorde det muligt at se det små også.
De to eksempler er blevet videreudviklet lige siden – Hubble-teleskopet i rummet ser det store, CERN i Schweiz ser det mindste.
Disse teknologier blev først skabt for at blive brugt til at udforske naturen – altså til at udføre mere grundforskning. Men siden har for eksempel optiske linsesystemer fundet talrige anvendelser i ting som kikkerter, kameraer og briller.
\ Læs mere
En industriel revolution efter den anden
Da man af ren nysgerrighed begyndte at gruble over dampens natur, blev den første industrielle revolution hurtigt varslet. Sidenhen blev den udbygget med mere og mere effektive maskiner gennem en dybere forståelse af termodynamikkens helt fundamentale lovmæssigheder.
\ Hvad skal vi med grundforskning?
Videnskab.dk sætter hen over efteråret fokus på grundforskning.
Vi tager dig med helt ind i maskinrummet af grundforskningen og finder ud af:
- hvad skattekronerne går til,
- hvilke projekter der bliver lavet,
- hvem der står bag og
- hvad vi historisk set har fået ud af grundforskning.
På sigt fik teknologiske genialiteter som samlebåndet indført den anden industrielle revolution, hvor storproduktion blev mulig.
Siden har vi set en rivende udvikling – først grundvidenskabeligt og siden teknologisk. Ved at udforske atomernes verden blev kvantemekanikken født, og med denne indsigt skabtes transistoren og lagde grunden til elektroniske chips og mikroprocessorer.
Disse kunne så igen vise sig at muliggøre forfinet kontrol af automatiserede mekaniske systemer som robotter. Denne automatisering af produktionsapparaturet kaldes ofte den tredje industrielle revolution.
Derudover er der transistorer i al elektronik i dag, og transistoren må regnes for en af de opfindelser, der har haft størst indflydelse på vores hverdagsliv.
Laseren – et af de helt store gennembrud
En anden hverdagsrevolutionerende opfindelse er laseren. Opfindelsen af laseren regnes også som en af de absolut største bedrifter i det 20. århundrede.
Laseren er et fantastisk eksempel på, hvordan det at forstå fundamentale aspekter af naturen kan udnyttes til at skabe et værktøj med umådeligt mange anvendelser.
Atomare energi-overgange indkapslet i et optisk feedback-system tvinger energien til at blive sendt ud som fuldstændig ens fotoner. Det vil sige, at de har ens farve og bevæger sig i takt med hinanden og i samme retning – hvilket giver de karakteristiske rette laserstråler.
Lasere anvendes i dag i eksempelvis Blu-ray-afspillere, stregkode-skannere, til laserkirurgi og lasersvejsning, underholdning og mange andre steder, såvel som i forskningslaboratorier til at køle atomer, til at bremse lys, til spektroskopi, til biologisk analyse og meget andet.
Ved at forstå lysets natur og derefter tøjle det har man skabt et storslået redskab. Det undrer ikke, at laseren siden sin opfindelse i 1960 har givet anledning til ikke mindre end 16 nobelpriser til forskere, der arbejder med emner relateret direkte til laseren.
Den nye revolution: Optisk kommunikation
En helt særlig anvendelse af laseren er optisk kommunikation. Efter laseren blev introduceret som middel til at kommunikere med, er verden blevet dramatisk og grundlæggende ændret.
Internettet har fuldstændig vendt op og ned på den måde, vi deler viden på, den måde vi kommunikerer på, den måde vi arbejder på, den måde vi leger, og den måde vi søger informationer på.
På internettet kan man nu med et enkelt klik hente enorme mængder af information, der med lysets hastighed finder vej til ens computer.
Hver eneste dag i år 2017 skaber og sender vi mere information på internettet, end der blev skabt fra tidernes morgen til år 2000 (se for eksempel her, hvad der sker på internettet på ét minut).
Der er virkelig tale om en informationsalder, og den er båret af et optisk internet, hvor hundreder billioner (1012) optiske bits flyver rundt på hele kloden hvert sekund. Og alt tyder på, at udviklingen vil fortsætte.
Vi står i dag på tærsklen til den fjerde industrielle revolution, Produktion4.0. Her vil maskiner kommunikere med maskiner. Sensorer vil overvåge produktionen, aktuatorer vil tillempe maskinernes ydelse, og computere vil sørge for koordinering, og alle dele skal kommunikere sammen.
Kommunikation er blevet et centralt grundvilkår for fremtiden og kommunikationsteknologier essentielle for den stigende digitalisering til fremtidens produktionsapparat, det kommende Tingenes Internet (Internet of Things) og relationer mellem mennesker.
Grundforskning er også anvendt forskning
Det er nærmest fantastisk, hvad internettet har ført med sig, men som grundforskning i termodynamik har vist, er der intet, der er gratis.
Det vil sige, at alle ydelser koster energi. Og internettet bruger meget energi: Hele 10 procent af al elektricitet i verden bruges i dag til kommunikation. Det svarer til mere end to procent af den globale CO2-udledning, så internettet har virkelig bidraget til at få kloden til at svede.
Nu står vi overfor to helt fundamentale teknologiske udfordringer: Hvordan kan vi blive ved med at øge kommunikationskapaciteten, og hvordan kan vi reducere det energiforbrug, der følger med?
I grundforskningscentret SPOC (Silicon Photonics for Optical Communications) på DTU, har vi for nylig demonstreret, at en datamængde svarende til mere end det dobbelte af den faktiske internettrafik kunne bæres på lyset fra en enkelt optisk chip og sendes igennem en enkelt multikerne optisk fiber.
Dette er den største mængde data, der nogensinde er sendt igennem en enkelt fiber, og det, at det kom fra en enkelt chip i stedet for tusindvis af lasere, viser den enorme styrke, der ligger i optiske chips.
For dette eksperiment og visionerne bag blev forskere fra SPOC i 2016 belønnet med den eftertragtede Horizon 2020 Innovation Challenge Prize, Breaking the Optical Transmission Barrier.
Det er slående, at en sådan innovationspris vindes af et grundforskningscenter.
Årsagen er, at grundforskning og anvendt forskning i stigende grad danner par, og begge ønsker at bryde igennem barrierer i forståelse eller kunnen og skabe store gennembrud i erkendelser eller anvendelser.
\ Superkontinuum
Når lys sendes gennem et materiale som glas, vil lyset begynde at vekselvirke med elektronerne i materialet og få dem sat i svingninger.
Ved lav energi svinger elektronerne blot lineært og skaber en dipoleffekt, der sørger for at lyset sendes videre med samme frekvens, som det kom ind med.
Hvis lyset er kraftigt, vil de elektroniske svingninger blive ulineære, og så at sige bryde det indkommende lys op i nye frekvenser.
Med meget kraftigt lys, kan der skabes et helt superkontinuum, hvor der nærmest skabes hvidt lys, som er lys med nye frekvenser spændene over et meget stort frekvensområde.
Og for tilpas store udfordringer, hvor et teknologisk paradigmeskift er nødvendigt, vil der være behov for begge dele.
Internettets udfordringer trænger i den grad til 'at man tænker ud af boksen', så der skal søges med lys og lygte efter løsninger, der mere end blot optimerer lidt på eksisterende standarder.
Der er behov for, at der udvikles ny og forbedret informationsteori, der fortæller os de fundamentale grænser for, hvor meget information, der kan sendes i diverse medier.
Vi har desuden brug for ny forståelse af lysets vekselvirkning med materialers særlige strukturer og egenskaber som dispersion og ulineariteter og forståelse af, hvordan optiske ulineariteter kan skabe lys.
Superkontinuum af laserlys
I det nævnte eksempel med 661 Tbit/s data-transmission blev der eksempelvis kun brugt en enkelt laserkilde i stedet for cirka 6.000 lasere, som ville være nødvendigt, hvis man ville sende den samme mængde data ved at bruge de nyeste industristandardsendere.
Men ved netop at kombinere grundforskning i ulineære optiske effekter og materialer med et fokus på anvendelser, lykkedes det at skabe en optisk chip, der kan brede spektret af lyset fra en enkelt laser ud, så det danner et såkaldt superkontinuum, der svarer til et bredt regnbuespektrum af farver.
Alle disse farver kan så bruges direkte til at bære information i stedet for at bruge tusindvis af individuelle lasere, hvorved man sparer størrelsesordner energi.
At grundforskning og innovation i dag sparrer med hinanden, er H2020-prisen således et godt eksempel på.
Vi skal prioritere grundforskning
Kan man ikke få det praktiske udbytte af grundforskning (de teknologiske landvindinger) lidt hurtigere, tænker læseren måske?
\ ForskerZonen
Denne artikel er en del af ForskerZonen, som er stedet, hvor forskerne selv kommer direkte til orde. Her skriver de om deres forskning og forskningsfelt, bringer relevant viden ind i den offentlige debat og formidler til et bredt publikum.
ForskerZonen er støttet af Lundbeckfonden.
Nej, ikke direkte, desværre. Fundamentale erkendelser findes der ikke en formel for. Men vi ved dog, at videnskabelige gennembrud er helt afhængige af én ting: Økonomisk støtte til at tænke ud af boksen, til at fordybe sig, til at eksperimentere, undersøge og bare gruble.
Ved at støtte grundforskningen og grænsesøgende og grænsebrydende forskning med stort gennembrudspotentiale vil der uvægerligt opstå vigtig ny viden og store idéer, der kan omsættes til nye redskaber, teknologier og endnu flere muligheder for menneskeheden.
Og ved at sørge for en nem proces til at overdrage fundamentale gennembrud til praktisk anvendelse, kan man måske alligevel få hurtigere udbytte.
