Stejně jako v předchozích třech letech tak i letos se mohou studenti a studentky středních škol zúčastnit projektu Talentová akademie. Jedná se o aktivitu vědeckých pracovníků z laserových center ELI Beamlines a HiLASE v Dolních Břežanech, kteří se tak snaží vychovat další generaci nových vědců a zaujmout mladé lidi pro svůj obor.

Studenti se již nyní mohou na webu www.talentovka.cz zapojit do internetového kola, ve kterém na ně čeká několik příkladů a sestavení optického experimentu. Dvanáct nejlepších řešitelů si pak v říjnu během třídenního finále vyzkouší simulaci skutečného vědeckého experimentu v profesionálních laboratořích laserových center.

Talentová akademie je možností, jak si zlepšit své znalosti a schopnosti v oblasti laserové fyziky a optiky. V současné době navíc doplňuje iniciativu Akademie věd “Věda na doma”, která se právě online popularizaci vědy věnuje.

Letošní ročník bude probíhat v duchu oslav 60. výročí laseru. 16. května 2020 tomu bude přesně šedesát let, kdy americký fyzik a inženýr Theodore H. Maiman spustil vůbec první funkční laser. Laser bývá právem označován za největší objev minulého století. Ostatně těžko si dnes bez jeho existence představíme většinu vědních oborů a průmyslových odvětví. Ať už se jedná o výrobu elektroniky, internet, výzkum ultra-rychlých dějů, obrábění kovů nebo o kvantové počítače, ve všech těchto oborech si laser vydobyl své nenahraditelné místo. Česká republika má ve výzkumu laserových technologií dlouhou tradici. Již v roce 1963 byly u nás v provozu tři lasery a naši vědci se tak zařadili po bok světových průkopníků laserové fyziky.

„HiLASE a ELI Beamlines reprezentují světovou špičku laserového výzkumu. Především díky kvalitnímu mezinárodnímu vědeckému týmu a přístupu k nejmodernějším laserovým technologiím mohly být v těchto centrech postaveny nejvýkonnější lasery světa, které našim vědcům dávají nepředstavitelné možnosti dalšího výzkumu“, popisuje současnou českou laserovou fyziku Tomáš Mocek, vedoucí centra HiLASE. A právě tato laserová centra nyní dávají středoškolským studentům možnost se zblízka seznámit se současným laserovým výzkumem.

Hlavním cílem Talentové akademie je představit středoškolákům skutečnou podobu vědecké práce. Ta začíná studiem literatury, pokračuje návrhem a realizací experimentu a končí předáním výsledků kolegům a veřejnosti. „Talentová akademie mi ukázala, že za špičkovými vědeckými pracovišti nemusíme jezdit daleko za hranice, ale stačí sednout na autobus na Kačerově a za pár minut jsme tam. Také to, že lidé působící na těchto pracovištích jsou naprosto normální a člověk si s nimi může dobře popovídat. A konečně, že věda je oblast, které bych se v budoucnu ráda věnovala,“ zmiňuje svou osobní zkušenost účastnice loňské Talentové akademie Daniela Kropáčková.

Vědci během finále mentorují tři týmy studentů a společnými silami se snaží vyřešit zadaný výzkumný problém. Studenti získají spoustu nových informací z optiky, chemie, konstruktérství, programování nebo 3D tisku a naučí se používat vědecké přístroje. Mentoři pouze usměrňují jejich nápady do rámců možností současné vědy a technologií a seznamují je s potřebnou teorií. Skutečné řešení zadaného problému, návrh experimentu, získání a zpracování dat je však plně v rukou finalistů. Talentová akademie je unikátní právě ve volnosti, kterou studenti při práci ve vědeckých laboratořích mají.

Centra ELI Beamlines a HiLASE pomocí Talentové akademie také hledají své budoucí výzkumné pracovníky. Vybraným účastníkům akce nabízejí navazující spolupráci mj. ve formě letních stáží, během nichž se studenti zapojují do reálných vědeckých projektů center.

Svoji osobní zkušenost se stážistou, absolventem historicky prvního ročníku Talentové akademie 2017, líčí Martin Přeček z experimentálního týmu centra ELI Beamlines. „S Pavlem jsme několik týdnů společně pracovali jednak na reálném výzkumném úkolu, který se týkal měření parametrů nové mikrofluidické kapalinové trysky, a dále na přípravě a ověření vědeckého zadání následujícího ročníku Talentové akademie, kdy samostatně provedl ověření většiny chemických postupů. Pavel se ukázal jako skvělý pracovník, jemuž jsem mohl svěřit dlouhodobější trpělivé řešení úkolů.“

Ze školy si možná všichni pamatujeme, že jednou ze zásadních jaderných reakcí je tzv. nukleární fúze. Při ní dochází ke slučování jader atomů a zároveň se při přeměně lehčích prvků v těžší uvolňuje značné množství energie. Takováto reakce probíhá například v hvězdách a má mnohem větší efektivitu, než jaderné štěpení, které dnes používáme v průmyslových reaktorech. Také už asi ze školy víme, že dokonalé ovládnutí fúze je svatým grálem energetiky a že jsme od ní asi 30 let daleko – a je úplně jedno, kdy v posledních desetiletích jste do školy chodili. O fúzi se pořád mluví jako o něčem, co chápeme, ale ještě ne dostatečně ovládáme a oněch ikonických „30 let“ opakujeme už minimálně půl století. 

O úskalích termonukleární fúze, a proč se pořád nedaří posílat do drátů elektřinu vyrobenou pomocí malých, průmyslových sluncí, by se dalo mluvit dlouho. Nás ale zajímá, jakou roli ve snaze dosáhnout úspěchu při spuštění efektivní fúze hrají lasery. Jednoduchá odpověď zní: pravděpodobně zásadní.

Možností jak v řízeném prostředí dosáhnout fúze je totiž několik. V pozemských podmínkách se nejlepším palivem fúzních reaktorů ukazuje být reakce deuteria a tritia, tedy tzv. těžký a supertěžký izotop vodíků. Aby ale došlo k „zapálení“, je potřeba je přivést k teplotám 100–200 milionů kelvinů. V takovém stavu je hmota ve skupenství plazmy, konkrétně vysoce energetického plazmatu s nesmírnou hustotou. V podstatě tak stojíte před úkolem tuto plazmu nějak udržet dostatečně dlouho na to, aby se spustila řízená fúze a vy mohli bezpečně energii využívat. Samozřejmě s tím, aby byla celá soustava stabilní – neřízenou fúzi už totiž zvládáme docela dobře, jen jí říkáme termonukleární zbraň a to opravdu není dobrá hračka.

Laserové technologie nacházejí uplatnění v metodě tzv. inerciální udržení. Jeho princip spočívá v tom, že se palivo prudce zahřeje a zápalné teploty fúze dosáhne v těch několika zlomcích vteřiny předtím, než by nestabilní, magneticky nedržená plazma expandovala do okolí. Název inerciální udržení odkazuje na to, že setrvačnost (inerce) na potřebné nanosekundy udrží palivo pohromadě.

Pro dosažení inerciální fúze je proto potřeba palivo v pevném skupenství nesmírně stlačit tak, aby se prudce navýšila jeho hustota. Ve škole jsme se možná učili, že kapaliny a pevné látky jsou nestlačitelné, nicméně při extrémních tlacích to možné je. Aby se ovšem dosáhlo takového mimořádného tlaku, je potřeba mimořádných postupů. Vysokoenergetickým laserovým paprskem působícím na povrch paliva dojde k prudkému zvýšení teploty a změně skupenství. Excitované atomy uvolněných plynů se odrážejí od stále ještě pevného povrchu a působí značným tlakem směrem dovnitř. 

Aby se zabránilo vystřelení hmoty, je potřeba palivo bombardovat laserovými paprsky z více stran tak, aby byly tlaky v rovnováze směrem dovnitř. Je potřeba říci, že se bavíme o skutečně extrémních podmínkách. Teploty musí přesáhnout 100–200 milionů °C, ve stavu plazmatu se palivo udržuje několik desetin miliardtin sekundy (hrozné to jen napsat, natož si to představit). Vnitřní tlaky v palivu jsou stomilionkrát vyšší, než tlak atmosférický. 

Nebýt laserových technologií, nebylo by možné tak extrémních podmínek dosáhnout. Jiné fúzní reaktory, jako například známé tokamaky (které se také stále nepodařilo dotáhnout k průmyslovému využití), využívají princip tzv. magnetického držení. Při něm se plazma stabilizuje ve vakuu, postupně se zahřívá a koncentruje. Inerciální držení působí o poznání dramatičtěji, paradoxně je ale díky naší schopnosti stavět supervýkonné lasery dosažitelnější. Fúzní elektrárna založená na inerciálním držení by vlastně byla jednou velkou laserovou soustavou. 

Abychom totiž místo reaktoru nevyrobili bombu, musí být palivový terčík bombardovaný laserem velmi malý. V dnešních zařízeních se laserem bombardují „peletky“ vytvořené z plastové kuličky o velikosti kuličky pepře. Ta je naplněná hluboce podchlazenou směsí deuteria a tritia, které se před „zapálením“ nachází v pevném skupenství. Výsledkem je relativně malá exploze (která ovšem uvolňuje energii v řádech sta milionů joulů), v průmyslovém využití by proto takových miniaturních explozí probíhala celá série za sebou.

Ani inerciální udržení ale není dokonale zvládnuté – jak už to tak bývá, co se zdá být funkční v teorii, pokulhává v praxi. Rozvoj technologie trvá už od 70. let, v novém století byly největší naděje dávány do zařízení National Ignition Facility (NIF) v USA. Jde o doposud největší zařízení tohoto typu, které je schopné palivo bombardovat celkem 192 laserovými paprsky, jež dokázaly palivový terčík ohřát energií 2 MJ. Jde mimochodem o tak high-tech stavbu, že si dokonce v jednom Star Trek filmu zahrála v roli strojovny lodi Enterprise. I v tomto provozu se ale původní očekávání nenaplnila a tříletá kampaň spuštěná v roce 2009 nedosáhla stanoveného cíle, totiž dostatečně energeticky efektivního zapálení fúze. Zařízení NIF sice různými technickými úpravami až čtyřicetinásobně zlepšilo výtěžky z dosažené fúze, přesto to nestačilo. Původní ambice NIF jsou tak dnes v útlumu a zařízení se věnuje jiným vědeckým úkolům spojeným s materiálovou vědou a vojenským výzkumem.

To ovšem neznamená, že by potenciál technologie byl mrtvý – právě naopak. Existuje několik dalších výzkumných center hledajících vhodnou cestu (konkrétně se řeší přesný způsob zapálení palivové kuličky, fokusování energie laserů a podobně), navíc ani NIF možná ještě neřekl poslední slovo. Pointa je v tom, že laserové stlačování paliva funguje. Pereme se ne se samotným fyzikálním principem, ale především s energetickou náročností laserů a konkrétními konstrukčními řešení. Ano, je pravda, že pozornost některých výzkumných center se od laserů posouvá směrem k urychlovačům schopným generovat iontové pulsy s podobným efektem. Jak ale ví každý fanoušek sci-fi, lasery jsou cool a ještě není důvod přestat jim držet palce. Ostatně nezapomínejme: průmyslová jaderná fúze je už jen 30 let daleko.

Popisky obrázků:

Obr. 1: Schéma spuštění jaderné fúze při inerciálním udržení. 1) Laserové paprsky dopadají na povrch paliva, při prudkém zahřátí vzniká plasmový obal. 2) Materiál je vystřelen směrem od okraje, namísto jeho raketového odpálení pryč na něj ale působí protisměrné lasery. 3) Soustava se na zlomky nanosekund dostává do rovnováhy, kdy se všechen tlak soustředí ve středu palivové kuličky. 4) Jádro dosahuje teploty 100 milionů °C a obrovské hustoty. Spouští se jaderná fúze. 

Obr. 2: Palivová kulička užívaná NIF, obsahující směs deuteria a tritia v pevném skupenství uvnitř plastové kuličky. (Zdroj: National Ignition Facility)

Obr. 3: Schéma zařízení NIF. Paprsky z laserových zařízení (modře) se koncentrují do jednoho bodu uvnitř palivové komory (červeně), kde je umístěna palivová kulička. (Zdroj: National Ignition Facility)

Sice se někdy říká, že ve 20. století lidstvo vykročilo ke hvězdám, skutečnost ale není tak vzletná. Pokroky v kosmonautice jsou sice značné, ale i když jsou výpravy sond k objektům naší soustavy fantastická záležitost, hvězdy nám zůstávají zoufale nedostupné. Alespoň co se cestování týče, nemluvíme teď o dálkovém průzkumu. Vždyť i Voyager 1, tedy sonda, která se zatím dostala nejdál od Slunce, uletěla zatím pouhých 20,5 světelných hodin. K hvězdě Proxima Centauri, nejbližšímu sousedu naší soustavy ve vzdálenosti 4,22 světelných let, by se svou zdánlivě úctyhodnou rychlostí 61 198 km/h v hodině letěl přes 70 000 let. 

Rekord mezi lidskými výtvory drží sonda Parker Solar Probe, které se krátkodobě podařilo dosáhnout rychlosti 393 042 km/h, nyní zpomaluje a po opakovaném zrychlení se odhaduje, že v roce 2025 dosáhne neuvěřitelných 690 000 km/h. No, neuvěřitelných – vše je otázka úhlu pohledu. Pořád se pohybujeme na nějakých 0,064 % rychlosti světla, což je zoufale málo pro cestu ke hvězdám. A to jde o rychlost dosaženou kombinací klasických motorů a gravitačních triků. Jinými slovy, chceme-li vůbec o vyslání sondy k cizí hvězda uvažovat, musíme změnit způsob myšlení a hledat nové metody pohonu. 

Právě tady nastává chvíle, kdy na scénu vstupují lasery a laserové technologie. Zdá se to být k nevíře, ale skutečně je teoreticky možné, aby lasery poháněly družice. Tedy, jak už to tak bývá, má to spoustu háčků – musely by to být velké lasery, malé družice a rozhodně to není něco, co bychom zvládli postavit zítra. Ze všech možných teoretických úvah je ale tato to nejreálnější, jak jsme se možnosti poslat alespoň něco k cizím hvězdám s naší soudobou technologií přiblížili. Bohužel, kapitáne Picarde – warp pohon bude muset zatím počkat.

Fyzikální princip celého konceptu spočívá v tzv. tlaku záření. Světlo lze popsat jako vlnění i jako částici, jeho částicová podstata se ale právě tlakem záření projevuje. Elektromagnetické záření – včetně světla – je kvantováno na fotony, u kterých lze popsat všechny částicové veličiny, včetně energie a hybnosti. I fotony se tak projevují starou známou newtonovskou hrou na akci a reakci. Jinými slovy: i světlo má mechanické účinky a silové působení, což jsou vlastnosti, které si s ním obvykle nespojujeme. Ovšem někdy je lepší věřit částicovým fyzikům spíš než selskému rozumu. Ten by nás nabádal k tomu, že světlo pohne tak maximálně slunečnicemi, když se za ním otáčejí a rozhodně přece na nic netlačí.

Samozřejmě, pokud jde o sluneční světlo, bavíme se o zdánlivě velmi slabých projevech. V případě slunečního záření to ilustrují tzv. sluneční plachetnice. Jde o princip pohonu v kosmonautice již experimentálně vyzkoušený. Sluneční plachetnice je typ sondy, která rozvine plachtu ze speciálních materiálů, pomocí kterých zachytává fotony slunečního záření. Ty svým odrážením předávají soustavě energii a hybnost. Samotné zrychlení je velmi, velmi malé – s plachtou o ploše 600 m2 činí jen 0,0005 m s-2. Na rozdíl od raketového pohonu ale dokáže působit velmi dlouho, takže sluneční plachetnice jsou schopné za 100 dní dosáhnout díky fotonům rychlosti až 10 000 km/h.

Dobře, sluneční záření – a co kdybychom dokázali proud fotonů koncentrovat do úzkého paprsku a tím jejich energii efektivně maximalizovat na velmi malé ploše? Škoda, že taková technolog- a, ano, takovou technologii máme: světelným obloukem se vracíme zpátky k laserům. 

Na principu mechanických účinků světla je totiž postavený koncept projektu Breakthrough Starshot, započatý v roce 2016; jedním z jeho duchovních otců byl i před časem zesnulý Stephen Hawking. Cíl má ambiciózní: vyslat flotilu světelných plachetnic k hvězdě Alpha Centauri, u které se v obyvatelné zóně nachází exoplaneta srovnatelná velikostí se zemí. V teorii celý projekt pracuje s aplikacemi technologií a fyzikálních principů, které už známe. Sonda vybavená světelnou plachtou by se ostřelováním zacílenými laserovými paprsky mohla z oběžně dráhy urychlit způsobem, jaký klasické doposud užívané pohony nemůžou nikdy nabídnout. Cílem projektu je dostat sondy (tzv. StarChip) na rychlost 20 % rychlosti světla. S takovým kvaltem by se rázem cesta trvající desítky tisíc let zkrátila na pár desetiletí, v případě Alpha Centauri něco málo přes 20 roků.

To nejdůležitější – co zároveň představuje hlavní technickou výzvu – jsme zatím jen naznačili: Jak zaznělo, mechanické účinky světla jsou velmi malé. Aby tedy bylo reálné o využití laserů pro účel pohonu uvažovat, bavíme se o soustavě o výkonu až 100 gigawattů. To je hodně! A i tak by takový laser působil na světelnou plachtu silou jen asi 7 N. To je málo! Tedy, málo je to jen zdánlivě. Pokud by totiž sonda byla mimořádně malá a sérii paprsků by se podařilo udržet alespoň 10 minut, odhaduje se, že by se dalo dosáhnout zrychlení až 100 km s-2. Sonda by ovšem musela mít váhu jen několik málo gramů, a to včetně plachty o průměru 5 metrů. 

V teorii by tedy vše fungovat mělo, v praxi je ale podobný projekt jednou velkou soustavou technologických obtíží. Aby se kompenzovala velikost sond a předpokládané ztráty po cestě, hovoří se o roji až 1000 ks mezihvězdných včeliček. Přirovnání ke včelkám není přeháněním, sondy by opravdu musely být velmi malé. Jejich konstrukce tedy představuje skutečnou výzvu miniaturizace – ať už jde o senzory, vysílače či (jaderné) napájení. Největší technologickou, a tedy i finanční, váhu celého projektu ale představují samotné lasery na zemi. Musela by vzniknout obrovská soustava navzájem koordinovaných zářičů. Současný koncept pracuje s konstrukcí 10 kW laserů na ploše 1 km2, které by teprve ve vzájemné součinnosti dosáhly požadovaných 100 GW. Není asi potřeba příliš zdůrazňovat, že něco takového potřebuje vyřešit celou řadu aspektů: napájení, schopnost udržet paprsky dostatečně dlouho, koordinaci se sondami apod.

V případě teoretického využití laserů pro pohon sond tak zvláštním způsobem stojíme jednou nohou v současné realitě, druhou nohou skoro v žánru sci-fi. V tom smyslu, že pokud vezmeme samotná teoretická východiska tohoto snažení, pak se vše zdá být perfektně reálné. Podle fyziky by to zkrátka fungovat mělo. Ve smyslu konkrétních technologických řešení, koordinace tak masivního projektu a definitivní realizace je ale cíl ještě míle a míle daleko. To, že ale nejde o marné blouznění, ilustruje i fakt, že se na dílčích projektech podílejí vědci z celého světa, včetně ČR. 

Cestování ke hvězdám v sobě vždycky mělo kus snění, něco ostatně musí alespoň trochu vyvažovat přijatelný skepticismus a racionalitu. S takovým sněním by ovšem byla jistá poetika v tom, kdybychom ke hvězdám nakonec pluli na světelném paprsku.

POPISKY OBRÁZKŮ: 

1. Koncept laserem poháněné “plachetnice” (Zdroj: Breakthrough Initiative)
2. Soustava laserů pro pohon sond ke hvězdám bude muset být masivní konstrukcí (Zdroj: Breakthrough Initiative)