Lõppeva kümnendi säravamad ideed: loodusteadused ja tehnika

$content['photos'][0]['caption'.lang::suffix($GLOBALS['category']['lang'])]?>
Täpsustatud universumi evolutsiooni kujutav kaart. Autor/allikas: NSF

Aasta on peagi läbi. ERR Novaator palus sel puhul paarikümnel Eesti teadlasel meenutada, mida endaga lõppevast kümnendist kaasa võtta ja mis olid nende eriala läbivad märksõnad.

Antti Tamm: suudame rekonstrueerida universumi mineviku selle esimese nanosekunditeni
Johannes Heinsoo: kvantarvuti jõudis viimaks turule
Jaan Aru: aju GPS juhatab teed ka mentaalses maailmas
Tanel Tammet: masinõpe lõpetas tehisintellekti talve
Tõnis Kanger: keemikud astuvad reaktsioonide kiirendamises looduse kandadele
Juhan Aru: matemaatikas nägi mati asemel tugevat keskmängu
Mihkel Pajusalu: lihtsa satelliidi saab orbiidile saata keskmise kodulaenu eest
Arvo Mere: päikesepaneele saab võrrelda juba pensionisambaga
Mario Kadastik: maailma suurim osakeste põrgutiga leiti Higgsi boson


Antti Tamm: suudame rekonstrueerida universumi mineviku selle esimese nanosekunditeni
Tartu Ülikooli Tartu observatooriumi direktor

Universumi kui terviku uuringutes ehk kosmoloogias võib lõppevat kümnendit nimetada nähtamatu otsimise ja nägemise perioodiks. Erakordsed teadusuudised gravitatsioonilainete esmakordsest mõõtmisest 2016. aastal ja musta augu vaatlemisest 2019. aastal jõudsid juhtivate päevalehtede esikaantele üle kogu maa.

Ehkki mõlemaid nähtuseid ennustasid füüsikud eesotsas Albert Einsteiniga juba ammu, jäid otsesed vaatlused seni tehnoloogia arengu taha. Iseäranis gravitatsioonilainete kinnipüüdmise võimekus avab inimkonnale täiesti uudse võimaluse universumi tajumiseks ja uurimiseks, sõltumatult valgusest ja muudest elektromagnetilise kiirguse liikidest.

Suuri samme astuti ka universumi varajase ajaloo ja seda täitvate, ent seni tabamatuks jäänud tumeaine ja tumeenergia uurimisel. Kui 50 aasta eest oli Suure Paugu mudel vaid üks paljudest võimalustest universumisünni ja arengu kirjeldamiseks, siis tänu erinevatele vaatlusandmetele ja eksperimentidele on täna võimalik rekonstrueerida universumi minevik kuni esimeste nanosekunditeni. Selle eest oleme paljuski tänu võlgu Euroopa Kosmoseagentuuri satelliidile Planck, mis aastatel 2009–2013 kaardistas universumi algusaegadest pärinevat mikrolainelist taustkiirgust. Saadud andmete analüüsis lõi kaasa ka akadeemik Enn Saar Tartu observatooriumist.

Universumi edasise arengu ning iseäranis tumeaine ja tumeenergia uuringuteks on käivitatud mitmeid uusi vaatlusprojekte. Üks paljulubavamaid neist peitub lühendi taha J-PAS; selles löövad aktiivselt kaasa mitmed Tartu Ülikooli Tartu observatooriumi teadlased. Hispaaniasse rajatud erilaadne teleskoop püüdis esimese valguse kinni 2020. aasta suvel.

2013. aastal lennutas Euroopa Kosmoseagentuur kosmosesse Gaia – instrumendi, mis kaardistab rohkem kui miljardi meie kodugalaktika Linnutee tähe asukohad ja liikumise. Kogutavad andmed meile aimu, kuidas tekivad ja arenevad galaktikad ning milline roll on selles tumeainel. Sellessegi projekti panustasid Tartu observatooriumi teadlased enda teleskoopidega; laekuvaid täppisandmeid kasutavad tumeaine uurimiseks nii Tartu Ülikooli kui ka KBFI teadlased.


Johannes Heinsoo: kvantarvuti jõudis viimaks turule
Kvantseadmete arenduse juht idufirmas IQM

Arvuti ülesanne on sisendinformatsiooni muutmine väljundinformatsiooniks. Informatsiooni kõigis tänapäeval kasutatavates arvutites kirjeldab klassikaline füüsika. 1990. aastatel tekkis tõsine huvi kvantarvutite vastu, sest kvantfüüsika võimaldab arvutusi, mis on tavaarvutitele praktiliselt võimatult ressursimahukad. Kvantarvuti kasutab arvutuste kiirendamiseks väga puhaste ja vaiksete asjade füüsika eriärasusi nagu superpositsioon, põimitus ja interferents.

Tavalisi bitte hoitakse magnetite asendis kõvakettal või transistori elektrilaengus. Sarnaselt võib hoida kvantbitti erinevates seadmetes, aga parim platvorm pole tänaseni selge. Viimasel kümnendil on juhtrolli haaranud lõksustatud ioonid ja ülijuhtivaid vooluahelad.

Kvantbittide arvu poolest ühes protsessoris on ette rebinud viimased, milles on kasvanud kvantbittide arv viielt viiekümneni. See võimaldas 2019. aastal Google'i inseneridel esmakordselt teha sellise arvutuse, mis võtab tänapäeva suurimal tavalisel arvutil väga palju kauem. Samas, lõksustatud ioonidega tehtud arvutite täpsus on kümnendiga kasvanud kolm suurusjärku, edestades selgelt ülijuhte. Lisaks on ioone lihtsam ühendada kvantinternetti.

Kvantinternetiga seoses on kahtlemata kümnendi kõige olulisem saavutus hiinlaste kvantsidesatelliidi demonstratsioon aastal 2017. Mainimist on väärt ka D-Wave-i esimese adiabaatilise kvantarvuti jõudmine turule aastal 2011, kuid 2014 avastati sama kiired algoritmid tavaarvutile.

Suuremate ülijuhtidest ja ioonidest kvantarvute ehitamisele aitavad eestlastest kaasa, peale allakirjutanu, veel Ants Remm ja Roland Matt, kellel käis laboris külas "Pealtnägija".


Jaan Aru: aju GPS juhatab teed ka mentaalses maailmas
Tartu Ülikooli arvutusliku neuroteaduse ja tehisintellekti vanemteadur, ENTA

Ajuteaduses oli tegus kümnend. Aastal 2014 anti Nobeli auhind ajuteadlastele, kes näitasid, et näriliste ajus on rakud ja ajustruktuurid, mis kaardistavad ümbritsevat keskkonda; nii-öelda aju GPS. Selle taga tundub olevat aga midagi veelgi põnevamat. Esiteks on nüüd selge, et need rakud pole mitte ainult positsiooni määramiseks ruumis (GPS), vaid võimaldavad ka navigeerimist ühest punktist teise.

Lisaks on põhjust arvata, et need samad rakud ja ajusüsteemid, mis aitavad närilistel navigeerida labürintides, aitavad inimloomadel navigeerida mentaalses maailmas. Kui üritate nuputada, kuidas võita sõpra kaardimängus või kuidas ülemuselt palgakõrgendust saada, siis töötab seesama aju navigatsioonisüsteem, mis proovib läbi mentaalseid trajektoore. Kuidas see täpselt toimub ja kuidas inimmõistus lahendab keerukaid ülesandeid, jääb siiski suures mahus järgmise kümnendi lahendada.

On arvata, et järgmine kümnend toob ajuteadusele ka järgmise Nobeli auhinna. Ennustada võib seda neile teadlastele, kes arendasid välja tehnoloogia, mille abil valguslainetega närvirakkude tööd kontrollida.


Masinõpet kasutatakse ja üritatakse kasutada hästi paljude rakenduste ühe osana, kuid praeguse tehnoloogia taseme juures on saadav abi enamasti paratamatult küllaltki piiratud. Autor/allikas: Pablo Quezada/Flickr (CC BY-NC 2.0)

Tanel Tammet: masinõpe lõpetas tehisintellekti talve
Tallinna Tehnikaülikooli tarkvarateaduse instituudi professor

Tehisintellekti arendamisega on tegeletud juba umbes 70 aastat. Entusiasmi- ja aktiivse rahastamise perioodid on vaheldunud kümneid aastaid kestnud pettumuslainetega.

Kui varasemad eduperioodid tulenesid saavutustest erinevate otsingu- ja optimeerimisalgoritmidega, siis viimase kümne aasta kiire tõus on innustatud masinõppe vallas tehtud edusammudest. Masinõppe fundamentaalsed algoritmid olid tuntud juba aastakümneid. Graafikaprotsessorite kiire areng ja suured veebist kättesaadavad andmehulgad andsid aga võimaluse tõsiseks läbimurdeks.

2009. ja 2010. aasta olidki masinõppe esimesed, piltide äratundmise läbimurdeaastad. Aastal 2011 võitis arvuti "Kuldvillaku" finaalmatši USA-s, kolm aastat hiljem jõuti inimese tasemeni nägude äratundmisel. 2016. aastaks suudeti masinõpet kasutades võita go-mängu maailmameistrit. Samuti on see viinud kiiresti edasi inimkeelsetest tekstidest arusaamise tehnoloogiat. Seni tõhusaim, 2020. aastal OpenAI loodud süsteem GPT-3 suudab luua pea igal teemal väikeseid huvitavaid jutte ja vastata lihtsamatele küsimustele.

Enamus suuremaid edusamme on pärit Google'i, Facebooki ja IBMi meeskondadelt, kuid samas viis tekkinud üleüldine masinõppe entusiasm valdkonna kandepinna väga laiaks. Masinõpet kasutatakse ja üritatakse kasutada hästi paljude rakenduste ühe osana, kuid praeguse tehnoloogia taseme juures on saadav abi enamasti paratamatult küllaltki piiratud.

Vastukaaluna masinõppe kiirele edasiminekule on mitmed tehisintellekti-arendajad avaldanud umbusku seniste masinõppe-meetodite edasise arenguvõimaluste osas ja muret praeguste saavutuste meedias ülespuhumise tõttu, kartes uue pettumuslaine saabumist. Üks konkreetne näide on isesõitvate autode kiire saabumise prognoosimine veel viis aastat tagasi. Praeguseks on asendunud see pigem arvamusega, et nende masskasutuseni jõudmiseks võib minna veel kümneid aastaid.

Sama pole pääsu ka eetikaküsimustest ja inimeste põhiõiguste riivest. Neist üks kõige problemaatilisem on inimeste äratundmine kaamerapiltidelt ja massiline jälgimine, mida tehakse näiteks Hiinas. Sarnased mureallikad on Facebooki ja Google'i soovitusmootorid.

Eestis on masinõppe kasutamine samamoodi päris levinud. Tuntumad ettevõtted, kus masinõpe oluliselt kasutuses, on näiteks inimeste äratundmisele spetsialiseerunud Veriff ja pakiroboteid tootev Starship. Riigisektor on omakorda näidanud üles huvi leida masinõppele kasutusviise avalikus halduses ja käivitanud selle jaoks mitu uuringut, koolitust ja pilootprojekti.


Tõnis Kanger: keemikud astuvad reaktsioonide kiirendamises looduse kandadele
Tallinna Tehnikaülikooli keemia osakonna professor

Eelmisel aastal nimetas Rahvusvahelise Puhta ja Rakendkeemia Liit kümme kõige innovaatilisemat keemiatehnoloogiat, mis muudavad tulevikus meie maailma. Üks teema selles valikus on enantioselektiivne organokatalüüs, mis on seotud ka Eestiga. Esimesena kasutas mõistet "orgaanilised katalüsaatorid" Wilhelm Ostwald, Tartu Ülikooli kasvandik ja seni meie ainus Nobeli preemia laureaat, juba 1900. aastal. Varjusurmas ja juhuslikku kasutust leidnud katalüüsi meetod tärkas uuele elule 20. sajandi lõpus ja muutus iseseisvaks uurimisobjektiks alles käesoleval sajandil.

Enantioselektiivne organokatalüüs on biomimeetiline meetod, milles ensüümide asemel katalüüsivad erinevaid reaktsioone madalmolekulaarsed, väikese molekulmassiga ühendid. Keemikud on võtnud endale raske ülesande konkureerida ensüümidega, mille struktuurid on looduse poolt miljonite aastate jooksul optimeeritud.

Meetodi võlu peitub selle lihtsuses: suurte ja keskkonnatingimuste suhtes tundlike ensüümide asemel kasutatakse katalüsaatoritena suhteliselt lihtsa struktuuriga ühendeid. Tihti on need laialt levinud kiraalsete looduslike ühendite, nagu aminohapped, looduslikud amiinid jt, derivaadid. Samuti iseloomustab meetodit eksperimentaalsete tingimuste lihtsus. Tagada pole vaja inertgaasi atmosfääri ega veevabasid tingimusi. Sellega annab organokatalüüs klassikalisele asümmeetrilisele sünteesile uue loodushoidliku ja keskkonnasõbraliku mõõtme.

Organokatalüüsi side Eestiga on jätkuv, sest Tallinna Tehnikaülikoolis tegeleb organokatalüüsiga professor Tõnis Kangeri uurimisrühm, kus lisaks laiemalt levinud aminokatalüüsile ja vesiniksidemete katalüüsile uuritakse ka alles viimastel aastatel fookusesse tõusnud halogeensideme katalüüsi.


Juhan Aru: matemaatikas nägi mati asemel tugevat keskmängu
EPFL matemaatikaprofessor, ENTA

Tundub, et viimased 10 aastat matemaatikas olid ehk enam ülesehitamise kui realiseerimise, enam keskmängu kui matistamise või väravalöömise aastad.

Säravatest tulemustest võiks siiski mainida Y. Zhangi algatatud ning suuremahuliseks koostööprojektiks kujunenud uurimust, mis näitas, et on lõpmatult palju selliste algarvude paare (p,q), mille korral p ja q vahe on mitte rohkem kui 246. Samuti tuleks mainida P. Scholze nime, kes veel sellel aastal pakkus välja uue struktuuri, mis võiks asendada klassikalise topoloogilise ruumi mõistet. Selle konkreetse tulemuse olulisus ja tähendus selgub alles järgnevate kümnete aastatega; kuid on ilmselge, et P. Scholze on juba toonud matemaatikasse väga originaalset ja värsket mõtlemist.

Mu enda tööga seonduvalt on palju põnevaid arenguid toimunud tõenäosusteoorias ning selle rakendustes - jõuame aina lähemale meid ümbritsevate eluliste kompleks-süsteemide puhtmatemaatilisele uurimisele. Olen elevusega kaasa elanud J. Milleri ja S. Sheffieldi läbimurretele juhusliku geomeetria vallas. Märkida tahaks ka M. Haireri tööd, kelle välja arendatud regulaarsuse struktuuride abil suudame analüüsida võrrandeid, mis eelmisel sajandil hirmutasid isegi matemaatikuid.

Maailma poliitilise pildiga haakuvalt jääb mööduvat kümmet aastat meenutama ka nii-nimetatud abc-hüpoteesi ümber toimuv. Nimelt, üks tunnustatud jaapani matemaatik väidab, et ta on tõestunud selle ammupüstitatud hüpoteesi. Samas lõviosa matemaatikutest (sealhulgas eelpool mainitud P. Scholze) ei tunnista tema argumenti kui matemaatilist tõestust. Polemiseerivalt võib öelda, et isegi matemaatikasse on imbunud alternatiivreaalsused!

Esile tõstab see aga valdkonda, milles on oodatavalt läbimurded juba ehk järgmisel kümnel aastal – automatiseeritud arvutipõhised tõestusekontrollid ning miks mitte ka tehisintellekti loodud originaalsed tõestused ja matemaatiliste tulemused.

Lõpetuseks tahaksin hoiatada - kõige tähtsamad tulemused võisin hoopistükkis nimetamata jätta! Mitte, et oleksin tahtnud lugejat petta, aga matemaatikas ehk enam kui teistes valdkondades ümbritseb värskeid tulemusi tihe udupilv, mis alles aastakümnetega tasapisi hajub, tuues esile selgemad vormid, tähenduse, ilu.


Vaade Dragoni kapslist. Autor/allikas: SpaxeX

Mihkel Pajusalu: lihtsa satelliidi saab orbiidile saata keskmise kodulaenu eest
Tartu Ülikooli Tartu Observatooriumi kosmosetehnoloogia vanemteadur

Kõige suurem areng viimasel kümnendil kosmosetehnoloogia valdkonnas on "New Space" ehk kosmosevaldkonna suurem kommertsialiseerimine ja ligipääsetavuse suurenemine. Keskmise korteri hinna eest Eestis saab teoreetiliselt juba väga lihtsa satelliidi orbiidile saata. Tänu nendele arengutele läks kosmosesse Eesti esimene oma satelliit ESTCube-1 2013. aastal. Nüüdseks on kosmoses juba kolm Eestis tehtud satelliiti ja paari aasta jooksul on neid lisandumas veelgi.

Uue kosmose lähenemine viis ka esimese mehitatud kommertsfirma lennuni rahvusvahelisse kosmosejaama. SpaceX-i Crew Dragon põkkus sellega lõppeva aasta mai lõpus.

Viimase kümnendiga muutusid ka kosmosetehnoloogia rakendused enamuste inimeste elu lahutamatuks igapäevaseks osaks. Just navigatsiooni- ja kaardistamisteenuste areng muutis võimalikuks teenused nagu Bolt.

Läinud kümnendi alguses jõudis esimene inimeste tehtud objekt Voyager 1 tähtedevahelisse ruumi, esimene kulgur liikus asteroidi pinnal 2018. aastal ja esimest korda maanduti komeedil (67P/Churyumov–Gerasimenko) novembris 2014. 2019. aastal sai ka Eesti esimest korda valitud süvakosmosemissiooni osaks instrumendiga OPIC Euroopa Kosmoseagentuuri missiooni Comet Interceptor pardal. Loodetavasti teeb see 2030. aasta kandis pilte Päikesesüsteemi sellest väljastpoolt saabuvast objektist.


Arvo Mere: päikesepaneele saab võrrelda juba pensionisambaga
Tallinna Tehnikaülikooli küberneetika instituudi dotsent

Päikeseenergeetikas on endiselt konkurentsitult oma 95-protsendilise turuosaga esiplaanil ränile orienteeritud päikesepaneelid. Seejuures moodustab sellest 65 protsenti monokristalne ränitehnoloogia. Viimase kümne aastaga on vähenenud nende hind peaaegu 75 protsenti ja on seega võrreldavad polükristalsete elementidega.

Praegu on ka ränil põhinevad päikeseelementide laboratoorsed kasutegurid, küündides monokristalsete ja polükristalsete elementide puhul vastavalt 25 ja 20 protsendini. Turul olevate paneelide kasutegurid on mõnevõrra madalamad: 18–20 protsenti. Kümne aasta eest oli need aga kahe protsendi võrra madalamad. Ühe umbes nelja eest tehtud täiendusena viidi elementide voolulattide arvu 3–4-lt 5-le, mis vähendas elemendi sisetakistust. Ehkki ränielement kuulub nn I põlvkonda, jätkub selle täiustamine ja hinna langetamine tarbijate rõõmuks pidevalt.

Umbes viis protsenti turust on kaetud nn II põlvkonna päikesepaneelidega, milleks on õhukesekilelised CdTe ja CIGS,Se. Nende alal tehtud progress seotud väikese hinnalangetusega.

III põlvkonna päikeseelemendid on rohkem seotud paljulubavate otsingutega. Siia kuulub eelkõige nn perovskiitstruktuuriga materjalide kasutamine õhukesekilelistes päikeseelementides. Esimene teade tuli nende ühendite kasutamisest päikeseelementides 2012 aastal. Kasutegur oli toona ligi 10 protsenti. Praegu küündib perovskiitidel põhinevate päikeseelementide kasutegur kuni 20 protsendini. Veelgi enam, aasta lõpus tuli teade, et räni ja perovskiit-tandemelemendi kasuteguriks on saadud 30 protsenti. Samuti on nüüd õpitud perovskiitelemente paremini kaitsma välismõjude eest, mis oli algusaastatel suureks probleemiks.

Tallinna Tehnikaülikooli keemiliste kiletehnoloogiate laboris tegeletakse samuti III põlvkonna päikeseelementidega, mille ülesanne on olla poolläbilaskev ja need oleksid kasutatavad hoonete akendele kantud õhukese kilena.

On tähelepanuväärne, et kõik edukad katsetused III põlvkonna päikeseelementidega on seotud õhukeste kilede sadestamisega mitmete erinevate tehnoloogiatega. Need toimivad ka madalal temperatuuril ja on odavad. Võib öelda, et päikeseenergeetikal on helge tulevik ka järgmisel kümnendil. Seda võib käsitleda pensionisambana, sest paneelide kasutusiga küünib umbes 30 aastani.


Arvutisimulatsioon prootonite kokkupõrkel tekkinud Higgsi bosonist, mille avastamisest on mõõdunud viis aastat. Autor/allikas: CERN/ CMS COLLABORATION

Mario Kadastik: maailma suurim osakeste põrgutiga leiti Higgsi boson
KBFI vanemteadur, ENTA

Viimase kümnendi suurim avastus osakestefüüsikas on vaieldamatult Higgsi bosoni avastamine.

Osakeste standardmudel on olnud loomisel juba palju aastakümneid. Erinevat tüüpi osakeste omavahelised vastasmõjud ja sümmeetriad on vägagi hästi kooskõlalised olnud, kuid mudelis oli vaid üks probleem. Nimelt olid osakesed teoorias massitud, kuid reaalsuses on neil kõigil erinevad massid.

Mehanismi masside tekitamiseks käisid välja Francois Englert ja Robert Brout ning paralleelselt Peter Higgs juba 1964. aastal. Selle käigus tõid nad sisse uut tüüpi nn skalaarse välja, millel on analoogselt temperatuuriga vaid kõikjal väärtus. Ainuke meetod teooria kontrollimiseks oli leida seda uut välja kandev osake – Higgsi boson.

Antud osa teooriast kinnitamine oligi üks peamisi LHC kiirendi ehitamise eesmärke. Juba kahe tööaasta järel suutsidki nii CMS kui ka ATLAS-e eksperimendid näha Higgsi bosoni esimesi eksperimentaalseid tõendeid.

Mäletan seda aega eksperimendis väga hästi. Otsingule oli pühendunud kogu CMS-i meeskond. Esmastest indikatsioonidest alates oli põhirõhk sellel, et tulemus oleks õige ja kallutamatu, olles samal ajal võidujooksus konkureeriva eksperimendiga. Õhk oli täis elektrit ning inimesed töötasid tohutu motivatsiooniga. Seda enam oli positiivne, et 2012. aasta juunis teatas pressikonverentsil näha ka konkurent nägi sama signaali samas kohas tuues sõltumatu kinnituse uue osakese leidmisest.

Hea lugeja, näeme et kasutate vanemat brauseri versiooni või vähelevinud brauserit.

Parema ja terviklikuma kasutajakogemuse tagamiseks soovitame alla laadida uusim versioon mõnest meie toetatud brauserist: