A víz nem csak éltető elemünk, hanem sokoldalúan hasznosítható unikális erőforrásunk. Bár rendkívül sérülékeny, mégis számos területen alkalmazzák. A tudomány fejlődése szempontjából kiemelt szerepe van, sokan nem is gondolják, hogy mely területeken érnek el fejlődést a víz tulajdonságainak köszönhetően. Hetesi Zsolt fizikus, az NKE Víztudományi Kar Víz-és Környezetbiztonsági Tanszékének egyetemi docense adott átfogó képet a témáról.
Különleges fizikai és a kémiai tulajdonságok
Induljunk ki a fizikából! A természet négy alapvető kölcsönhatása közül a víz tulajdonságait elsősorban az elektromágneses kölcsönhatás határozza meg. A molekulák elektromosan semlegesek, de a bennük található pozitív és negatív töltések eloszlása nem feltétlenül egyenletes. Emiatt a molekulák között is felléphetnek elektromágneses eredetű erők. Ezek közé tartoznak az úgynevezett Van der Waals-erők.
A vízmolekula hajlított alakú, az oxigén pedig erősebben vonzza az elektronokat, mint a hidrogén. Emiatt a vízmolekulának elektromos dipólusmomentuma van. A molekulák között hidrogénkötések is kialakulnak, amelyek a víz számos tulajdonságát meghatározzák. A víznek nagy a fajhője, a felületi feszültsége, viszonylag magas a forráspontja, és szilárd állapotában kisebb a sűrűsége, mint folyékonyan. A technológiában hűtőközegként, oldószerként és különböző elektrokémiai folyamatokban használjuk. Újabban a vízben terjedő hullámok és az oldott ionok mozgásának információfeldolgozási lehetőségeit is vizsgálják – részletezte Hetesi Zsolt.
Emlékezet a fizikában
Egy rendszer akkor mutat emlékezetszerű viselkedést, ha jelenlegi állapota a korábbi hatásoktól is függ. Vegyünk egy egyszerű példát! Ha egy tóba követ dobunk, hullámok keletkeznek. Ha utána egy második követ is beledobunk, az új hullámok találkoznak a korábbiakkal. Az így kialakuló hullámkép mindkét eseményről hordoz információt. Ebben az értelemben a víz emlékezik. Persze csak addig, amíg a hullámok le nem csillapodnak.
Más kérdés, hogy a vízmolekulák szerkezete képes-e tartósan megőrizni valamiféle korábbi hatást. A vízmolekulák közötti hidrogénkötések folyamatosan átrendeződnek, jellemzően pikoszekundumos időskálán. Egy pikoszekundum a másodperc billiomod része.
Nincs tudományos bizonyíték arra, hogy a tiszta víz tartósan megőrizné például egy korábban benne oldott, majd eltávolított anyag molekuláris lenyomatát. A víz emlékezetén tehát nem valamiféle különleges képességet kell értenünk, hanem a folyadék állapotának múltbeli hatásoktól való függését.
Még nem lehet vetélytárs
A számítógépekben az információt fizikai állapotokkal tároljuk. Ezekhez általában nullát vagy egyet rendelünk. Egy memóriaelem például elektromos töltés formájában őrizhet meg információt.
Folyadékok esetében az információ hordozója lehet az áramlási sebesség, a nyomás, a hullámkép vagy az ionok eloszlása. A különbség az, hogy ezek a rendszerek gyakran analóg módon működnek. Nemcsak két elkülöníthető állapotuk lehet, hanem folytonosan változó fizikai mennyiségekkel dolgoznak. A vízfelszíni hullámok azonban gyorsan lecsillapodnak, tehát ez nem alkalmas hosszú távú adattárolásra.
Más megoldást jelentenek az ionos memrisztorok. Ezek olyan elemek, amelyek elektromos ellenállása függ a korábban rájuk kapcsolt feszültségtől vagy az áthaladt töltéstől. Egyes kísérleti nanofluidikai memrisztorok már órákig megőrzik az állapotukat. Ezek azonban egyelőre nem versenytársai a hagyományos számítógépes memóriáknak.
Áramló vízben vagy más folyadékokban tárolt információ
Az első lépés meghatározni, hogy melyik fizikai mennyiség hordozza az információt. Ez lehet nyomás, áramlási sebesség, elektromos vezetőképesség vagy a folyadékfelszín alakja. Mindegyik mérhető.
Az Oxfordi Egyetem kutatói 2026-ban vízfelszíni hullámokat használtak információfeldolgozásra. Több eszközzel hullámokat keltettek egy vízzel töltött edényben. A hullámok interferáltak, az így kialakuló mintázatot pedig optikai eszközökkel rögzítették. A rendszerrel robotvezérlési feladatokat is megoldottak. Ez azért működhet, mert a hullámok kölcsönhatása maga is matematikailag leírható művelet. A fizikai rendszer tehát elvégzi a számítás egy részét. Ezt nevezzük fizikai rezervoárszámításnak. Persze ettől még nem lesz a vízből számítógép. A jelek létrehozásához és az eredmények kiolvasásához elektronikára is szükség van.
Profitál a robotika
A robotikában bizonyos feladatoknál a folyadékok saját fizikai viselkedését használhatjuk információfeldolgozásra. Ha például több hullám találkozik, akkor azok interferenciájából egy új mintázat jön létre. Ez a mintázat a bemeneti jelektől függ, tehát információt hordoz. Megfelelő kiolvasással bizonyos számításokat elvégezhetünk anélkül, hogy azokat teljes egészében egy elektronikus processzornak kellene végrehajtania. Elvileg ez csökkentheti az elektronikus számítási igényt. Hogy ezzel valóban energiát takarítunk-e meg, az más kérdés. A folyadék mozgatása, a jelek létrehozása és kiolvasása is energiát igényel.
Vezérlés folyadékkal
Egyszerűbb feladatoknál már léteznek ilyen megoldások. A folyadéknyomás és az áramlás megfelelő szabályozásával logikai műveletek és periodikus mozgások is létrehozhatók. Ezeket például lágy robotok vezérlésében lehet alkalmazni. Nem valószínű, hogy a folyadékok általánosságban leváltanák az elektronikus áramköröket. Inkább olyan rendszereket kell elképzelni, amelyekben a folyadék végzi el a feladat egy részét, az elektronika pedig a többit.
Vízalapú memóriakutatás, MI és az emberi agy
A kapcsolat elsősorban matematikai természetű. A mesterséges neurális hálózatok kialakítását részben az idegrendszer működése ihlette. Ezek azonban matematikai modellek, nem pedig a biológiai agy másolatai.
Egyes folyadékalapú rendszerek állapota függ a korábbi gerjesztésektől. Ezt a tulajdonságot felhasználhatjuk információfeldolgozásra. A rezervoárszámításnál például egy dinamikai rendszer alakítja át a bemeneti jeleket. A rendszer belső állapotából egy tanítható algoritmus állítja elő a kimenetet. A módszer lényege, hogy a fizikai rendszer saját dinamikáját használjuk számításra. Az emberi agy tanulási és emlékezési folyamatainak részletes összehasonlítása azonban már idegtudományi kérdés.
A víz szerepe az energetikában
A félvezetőgyártásban nagy tisztaságú vizet használnak a szilíciumlapkák és más alkatrészek tisztítására. A gyártási folyamat során már kis mennyiségű szennyeződés is hibát okozhat.
Az energetikában a víznek több szerepe van. Az egyik a hőszállítás. A víz nagy fajhője miatt alkalmas arra, hogy hőt vegyen fel és szállítson el. A másik a hőerőművekben betöltött szerepe. A hagyományos gőzturbinás erőművekben a víz és a vízgőz a termodinamikai körfolyamat munkaközege. A harmadik a vízenergia, ahol a víz helyzeti és mozgási energiáját alakítjuk át villamos energiává.
Az atomerőművekben a víznek még egy szerepe lehet: bizonyos reaktortípusokban neutronmoderátorként működik. A neutronok a vízmolekulák atommagjaival ütközve veszítenek energiájukból. Vagyis ugyanazt az anyagot több, egymástól eltérő fizikai tulajdonsága miatt használjuk az energiatermelésben.
Környezetbarátabb számítógépek
Két lehetőségről beszélhetünk, ha a vizet környezetbarátabb számítógépek fejlesztésében hasznosítanánk.
Az egyik a hűtés. A processzorok és a mesterséges intelligenciát kiszolgáló számítógépek hőt termelnek, amelyet el kell vezetni. A víz erre alkalmas. Ráadásul a hulladékhő megfelelő körülmények között más célokra, például épületek fűtésére is felhasználható.
A másik lehetőség a fizikai információfeldolgozás. Ha bizonyos számításokat egy fizikai rendszer saját működésével végzünk el, akkor csökkenhet az elektronikus processzorokra háruló feladat.
Itt nem szabad összekevernünk a két jelenséget! Attól, hogy kevesebb elektronikus műveletre van szükség, a rendszer még nem feltétlenül fogyaszt kevesebb energiát. A víz mozgatása, a mérések és a szabályozás energiaigényét is figyelembe kell venni. Ugyanez igaz a környezeti hatásokra. Egy zárt vízhűtő rendszerben ugyanazt a vizet keringtetjük, egy párologtatásos hűtőrendszerben viszont folyamatos vízpótlásra van szükség.
Vízalapú memóriából gyakorlati eszköz
Először is a megbízhatóságot kell megoldani. A folyadékok viselkedése függ a hőmérséklettől, a nyomástól, az összetételtől és az áramlási viszonyoktól. Egy laboratóriumban ezeket a körülményeket viszonylag egyszerű szabályozni. Egy ipari berendezésben már nehezebb.
A második probléma a sebesség. A hagyományos elektronikus áramkörök rendkívül gyorsak. A makroszkopikus folyadékáramlás és a felszíni hullámzás ehhez képest lassú. A harmadik kérdés a méretezhetőség. Egy laboratóriumi berendezés működése még nem bizonyítja, hogy az adott elv alapján kis méretű, olcsó és sorozatban gyártható eszköz készíthető.
Végül az egésznek gazdasági értelme is kell legyen. Ha egy feladatot egy elektronikus áramkör gyorsabban, olcsóbban és kevesebb energiával végez el, akkor nincs sok értelme vízzel megoldani.
A megbízhatóságot befolyásoló tényezők
A módszer megbízhatósága a választott fizikai rendszertől függ. Egy vízfelszíni hullámkép gyorsan lecsillapodik. A mozgási energia a viszkózus és egyéb disszipatív folyamatok révén fokozatosan hővé alakul. Az információ tehát elvész.
Más a helyzet, ha az információt ionok eloszlása vagy egy anyag elektromos ellenállásának változása hordozza. Ilyen esetekben hosszabb idejű állapotmegőrzés is lehetséges.
A hőmérséklet befolyásolja a viszkozitást, a diffúziót és az ionok mozgékonyságát. A szennyeződések megváltoztathatják az elektromos vezetőképességet és a folyadék felületi tulajdonságait. A nyomás az áramlási és mechanikai állapotokat módosíthatja. Ezeket a hatásokat a rendszer tervezésekor figyelembe kell venni. Általánosságban tehát nem mondhatjuk meg, mennyire tartós a vízben tárolt információ. Ehhez ismernünk kell az adott rendszer működését – emelte ki a szakember.
Új lehetőségek a környezetvédelemben
A környezetvédelemben a víztechnológiák szerepe egyértelmű. Ide tartozik a víztisztítás, a szennyezőanyagok kimutatása, a víz újrafelhasználása és a vízfelhasználás hatékonyságának javítása. A folyadékalapú érzékelőrendszerek ezekben a feladatokban is alkalmazhatók lehetnek. Azonban azt külön kell választani, hogy egy technológia vizet használ, illetve azt, hogy a víz emlékezetszerű tulajdonságaira épül. A kettő nem ugyanaz!
Előrelépés a nem túl távoli jövőben
A technológiai előrejelzésekkel óvatosnak kell lenni. Húsz év hosszú idő, és egy kutatási eredmény gyakorlati jelentőségét gyakran nehéz előre látni.
Három területen várhatunk fejlődést. Az első a vízfelhasználás hatékonyságának javítása. A víz korlátozottan rendelkezésre álló erőforrás, ezért a tisztítása, visszaforgatása és takarékos felhasználása egyre nagyobb szerepet kap.
A második a hűtéstechnika. A számítástechnika energiaigénye növekszik, és a termelt hőt el kell vezetni. Ebben a víznek továbbra is szerepe lesz.
A harmadik a fizikai információfeldolgozás. Elképzelhető, hogy bizonyos számítási feladatokat a jövőben nem hagyományos elektronikus áramkörökkel, hanem hullámok, ionok vagy más fizikai rendszerek segítségével oldunk meg.
Az nem valószínű, hogy a vízalapú számítógépek általánosságban leváltanák a félvezetőket. A kutatásoknak azonban van egy, a víznél általánosabb tanulsága. A számítás nem feltétlenül elektronikus műveletek sorozata. Bármely megfelelően kialakított fizikai rendszer részt vehet információfeldolgozásban, ha az állapota szabályozható, és az eredmény kiolvasható. Tulajdonképpen ezt használjuk ki minden analóg számítógépben.
A kérdés tehát nem az, hogy lehet-e vízzel számolni. A kérdés az, hogy van-e olyan feladat, amelyet vízzel jobb megoldani, mint elektronikával. Ezt pedig nem elméleti ígéretekkel, hanem mérésekkel kell eldönteni.
Nyitókép forrása: odonchuk / depositphotos.com
