archiv
Učitelské noviny č. 23/2013
tisk článku

ELI, ZKRATKA PRO ČESKÝ CERN

Energii koncentruje ve formě úzkého svazku světla dopadajícího na velmi malou plochu, kde s neuvěřitelnou přesností taví, řeže, obrábí nejrůznější materiály, rozbíjí částice hmoty pohybující se rychlostí světla anebo taky docela obyčejně snímá muziku ve vašem CD přehrávači. Pro tyhle a řadu dalších unikátních předností se stal laser v mnoha oborech lidského konání, zejména v průmyslu a medicíně, nenahraditelným pomocníkem. Bez nadsázky se dá říct, že po více než půlstoletí od svého sestrojení výrazně změnil náš svět. A měnit ho bude dál, a to pravděpodobně i za masivní české účasti. Kousek od Prahy totiž vyrůstá supermoderní vědecké centrum, jehož označení, ELI Beamlines, si dobře zapamatujte. Česko má díky němu šanci stát se za čtyři roky laserovou velmocí.

Samá nej…

Nejvýkonnější, nejintenzivnější a vůbec světový, hlavně takové přívlastky dostává vědecké centrum, které se staví ve středočeských Dolních Břežanech v rámci evropského projektu financovaného z Operačního programu Výzkum a vývoj pro inovace. V jeho útrobách bude instalováno, jak ukazuje i vizualizace, hned několik laserových systémů nejen různých typů, ale hlavně dosud nevídaných parametrů, jejichž cena včetně stavby budov a pořízení podpůrných technologií dosáhne zhruba sedmi miliard korun.

Když se lasery instalované v centru vzájemně spojí, dramaticky vzroste škála experimentálních možností, a to nejen pro fyziku, ale i pro biologii, lékařství nebo materiálové vědy. Vítejte v největším vědeckém projektu v historii Česka.

„ELI Beamlines umožní další zapojení české vědy do mezinárodního prostředí a vytváří pro náš fyzikální výzkum obrovskou příležitost k růstu. Vidím to jako jedinečnou šanci,“ konstatoval premiér Petr Nečas (sám vzděláním plazmový fyzik), když loni v říjnu poklepal na základní kámen stavby. Ano, je to zřejmě jedna z nemnoha šancí, jak za evropské peníze vybudovat něco skutečně pořádného.

Sestry a bratři

Pro pořádek je třeba hned na začátku uvést dvě důležité skutečnosti. Zaprvé laser ELI není, respektive nebude, v Dolních Břežanech sám. Součástí velkého evropského financování je totiž ještě jeden menší, takříkajíc sesterský projekt nazvaný HiLase. Ten se od ELI Beamlines vymezuje nejen tím, že se pro něj opodál staví samostatná budova, ale liší se především svým zaměřením. Projekt HiLase za 800 milionů korun se specializuje na vývoj vysokoenergetických laserů, které by měly najít využití přímo v aplikovaném výzkumu a průmyslu, například pro technologie mikroobrábění, testování odolnosti optických materiálů, řezání, sváření, odstraňování povlaků a laserové vyklepávání.

Vědci z ELI si od projektu HiLase slibují, že se díky němu podaří vytvořit určité, na trhu se dosud nevyskytující laserové technologie, které pak mohou implementovat a dále rozšířit v ELI Beamlines, jehož doménou bude především výzkum jako takový, byť samozřejmě také v praxi využitelný.

Zadruhé. ELI Beamlines má ještě dva mladší bratry. V Maďarsku a Rumunsku. Půjde o silný tým, který postavila Evropské unie na myšlence, že by bylo užitečné pomoci špičkové vědě i ve východní části kontinentu.

A tak v Rumunsku vzniká centrum, které se bude specializovat na jaderný výzkum, to maďarské bude založeno na tzv. attosekundové fyzice (atto naznačuje, že jde práci s optickými pulsy s ultrakrátkou vlnovou délkou). České ELI je však univerzálnější. V jeho útrobách budou sofistikované technologie vytvářet jak světelné svazky například gama či rentgenového záření, tak svazky částic – protonů nebo elektronů. Ale to už zase trochu předbíháme.

Zajímavé je také to, že ELI se po ukončení projektu zřejmě v roce 2017 stane součástí konsorcia evropských výzkumných infrastruktur (ERIC), což je jakási obdoba ženevského CERNu (Evropská organizace pro jaderný výzkum). Na jeho řízení a financování se pak budou podílet členské státy tohoto konsorcia. Naproti tomu HiLase, který by měl začít fungovat o dva roky dřív než ELI, čeká jiný osud – po dokončení zůstane dál pod křídly Fyzikálního ústavu Akademie věd ČR, který v současnosti zastřešuje i velký projekt ELI Beamlines.

Laserům se v Česku už daří

„Jedním z hlavních důvodů, proč se Česko stalo domovským přístavem pro projekt ELI Beamlines, byla dlouhodobá zkušenost českých vědců s výkonnými laserovými technologiemi,“ říká Daniel Kramer, mladý specialista v oblasti optiky, který ještě donedávna úspěšně bádal v CERNu a nyní pracuje jako vedoucí výzkumného týmu ELI Beamlines.

„Například od roku 2000 funguje v ústavech Akademie věd v Praze Na Slovance obří jódový laserový systém, jeden ze tří největších laserů v Evropě. V tomto badatelském centru známém pod zkratkou PALS se provádějí unikátní výzkumy, jejichž výsledky se pravidelně objevují na stránkách prestižních vědeckých časopisů.“

D. Kramer upozorňuje, že jeden z dalších „pražských“ laserů dosahuje neuvěřitelného výkonu 25 terawattů! I to je ale stále řádově méně, než jaký výkon se plánuje instalovat v Dolních Břežanech. V ELI Beamlines si totiž stanovili výkonový strop na 10 petawattů. Bezkonkurenčně nejvíc ze všech laserů na světě! Pokud vám přípona peta nic moc neříká, pak si k jedničce připište patnáct nul a dostanete se k číslu, které… zkrátka které je na hony vzdálené naší každodenní zkušenosti.

Projekt ELI Beamlines je podle D. Kramera přímo úžasný. Říká, že díky němu u nás vzniká první světové laserové centrum ojedinělých parametrů. Ve speciálních místnostech tady zanedlouho najdeme několik ultrarychlých, takzvaných femtosekundových laserů (femto znamená mocninu 10-15 neboli jednu biliardtinu), které jsou kombinovatelné v nejrůznějších experimentech. „V budoucnu bychom měli získat i nejvýkonnější laser v řádu 10 petawattů, který dokáže vystřelit paprsek až jednou za minutu. Ve světě dosud vědci používají lasery s podobnými energiemi s repeticí (taktem) 30 minut, přičemž dosavadní rekordní výkon je 1,3 petawattů. Proč takové přestávky? Po výstřelu svazků se zařízení musí dlouho chladit,“ vysvětluje D. Kramer i hledisko časové efektivity práce se superlaserem.

Rychlost pulsů v řádu femtosekund je klíčová věc, protože bez ní by laser zjednodušeně řečeno nestihl sledovat například chemické reakce, které dost často probíhají takovým tryskem, že je může zachytit jen takto svižné zařízení.

Dodejme, že femtosekundové lasery, které se dnes používají například v očním lékařství, pracují s ultrakrátkými optickými impulsy, jejichž energie je v krátkém časovém úseku soustředěna do velmi malého prostoru. Šedý zákal nebo rohovku samozřejmě v Dolních Břežanech léčit nebudou, přesto výsledky jejich práce by měly být využitelné i na poli lékařství.

Jak to celé vlastně funguje

Zkratka ELI by se měla stát novým synonymem pro slovo výkon. Považte: podle odhadů vědců dosahuje výkon všech elektráren na světě zhruba 4,5 terawattu (tera neboli 1012). V ELI Beamlines však počítají s výkonem (pulsem energie) až 10 petawattů. Obrovská energie je nutná k tomu, aby se ELI dostal tak hluboko do nitra hmoty, do její základní struktury jako žádný jiný laser na světě. Jak ale takové zařízení zapojit obrazně řečeno do zásuvky a nemít za ní na drátě minimálně několik Temelínů v řadě?

„Vtip je v tom, že koncentrujete energii do velmi malé jednotky času. Budicím zdrojem laserů jsou výbojky nebo diody, které ale tak velký výkon samy o sobě nevytvoří. Musíte použít něco, co vám energii laicky řečeno stlačí neboli zhustí v čase na úroveň femtosekund, a tomu ‚něčemu‘ se říká časový kompresor pulsů. Když se všechno povede, petawatty jsou na světě. Samozřejmě už na začátku celého procesu musíte mít nashromážděné dostatečné množství elektrické energie – to vám obstará vysoký počet kondenzátorů, v nichž se postupně nakumuluje energie, která se poté v jednom správném okamžiku vybije,“ vysvětluje D. Kramer.

Unikátní je také cesta paprsku od začátku až do konce neboli od zdroje do terče. Lasery v ELI v budoucnu vygenerují mohutný primární paprsek ve tvaru čtverce 20 x 20 centimetrů, který však uletí za dobu 10 femtosekund vzdálenost pouze několika mikrometrů. Dál tento podivný světelný čtverec o nicotné tloušťce nedoletí. Skončí totiž v náruči dokonalé optiky, která ho zkoncentruje na miniaturní plošku na terči, kde proběhnou přesně takové částicové interakce, o které vědcům právě jde.

Na co si superlaser posvítí

Jestliže se lasery v projektu HiLase zaměří na aplikovaný výzkum, třeba pro účely extrémně přesného obrábění různých materiálů, do ELI Beamlines, jak už bylo řečeno, bude koncentrován primárně základní výzkum. Součástí plánovaného portfolia činností budou experimenty zaměřené třeba na biofyziku či molekulární fyziku anebo materiálový výzkum.

D. Kramer si hodně slibuje i od práce se svazky částic, které se svou podstatou liší od světelného záření. Takový „částicový“ laser produkující například svazky protonů může způsobit revoluci třeba v médiích dnes hojně zmiňované protonové terapii sloužící k léčbě nádorových onemocnění.

„Problém současných protonových center je v tom, že používají konvenční neboli elektromagnetické urychlovače protonů. Celé zařízení je velmi těžké, drahé a nákladný je i jeho provoz. My bychom chtěli nahradit konvenční urychlovač na generování protonových svazků právě laserem, díky němuž by bylo zařízení cenově mnohem dostupnější. Kolem pacienta se dnes musí otáčet obrovské rameno vážící kolem 500 tun, které zahýbá a transportuje svazek směrem k nádoru. Pokud bychom použili laser, rameno by neslo jen lehká zrcadla,“ uvádí D. Kramer.

Podle něj dosud nedostupných možností superlaseru mohou využít i biologové. Pomocí laserů prý půjde například zjišťovat struktura makromolekul – výsledkem pak může být obrázek proteinů v 3D provedení.

Na své si v ELI přijdou i další obory. Například laboratorní astrofyzika. Superlaser podle D. Kramera bude schopen simulovat procesy odehrávající se při výbuchu supernov. Již zmíněný proces zhuštění energie v čase a prostoru totiž v podstatě takovou malou hvězdu „vyrobí“, vždyť intenzita na konci paprsku laseru o výkonu 10 petawattů může dosáhnout ekvivalentu výkonu zářícího z povrchu našeho Slunce o rozměrech 10 x 10 centimetrů. A to už je pořádná porce energie!

Ruce si mnou i stavebníci

Na pozemcích, kde má vyrůst špičkové výzkumné pracoviště, dosud probíhaly demoliční a terénní práce (včetně vykopání jámy hluboké téměř 10 metrů o rozměrech fotbalového hřiště). Samotná stavba začne v nejbližších dnech, skončí na jaře 2015 a v dalších dvou letech pak bude probíhat instalace a vyladění výzkumných technologií.

Na konci května byl vyhlášen vítěz tendru za 1,8 miliardy korun určených na stavební pokrytí hlavní fáze budování centra. Stalo se jím sdružení firem Metrostav, VCES a OHL ŽS. Požadavky na stavebníky budou naprosto mimořádné: vibrační stabilita, odolnost proti ionizujícímu záření, vysoký stupeň variability umožňující umístění a další rozvoj experimentálního vybavení, které v celosvětovém měřítku nemá obdoby. Fyzikální ústav jako objednatel však věří dosavadním zkušenostem vítězných firem.

Ve stejné době byla uzavřena ještě jedna dohoda, a to kontrakt na vývoji jednoho ze čtyř plánovaných laserů (L3) za 1,1 mi-liardy korun s prestižní kalifornskou vědeckou laboratoří. Nejuznávanější laserový fyzik současnosti Wolfgang Sandner při příležitosti podpisu smlouvy uvedl, že věří v to, že se ELI stane Mekkou světového laserového výzkumu. Co k tomu dodat?

Petr Husník

 

Učitelům fyziky a vůbec přírodních věd, kteří chtějí proniknout hlouběji do tajů laserových technologií, Daniel Kramer doporučuje unikátní internetovou encyklopedii www.rp-photonics.com.

 

Daniel Kramer, třiatřicetiletý fyzik specializující se mimo jiné na optiku, pracoval téměř sedm let v centru jaderného výzkumu CERN v Ženevě. Z původní prázdninové stáže se vyklubal doktorát a nakonec kariéra vědce v hlavním městě světového výzkumu. Přesto dal CERNu nedávno vale a přestěhoval se zpátky do Čech. Dokonce na přesun získal prostředky z evropského projektu, jehož smyslem bylo přetáhnout vědecké špičky ze zahraničí do Dolních Břežan. Ale peníze prý nebyly důvodem k návratu, to by prý zůstal ve Švýcarsku. ELI Beamlines je pro něj příležitost předvést kreativního ducha pravého badatele, obrovská výzva, jaká se už v životě nemusí opakovat. Kolegové v CERNu zprvu nad jeho rozhodnutím kroutili hlavou, když je ale seznámil s projektem superlaseru, uznali, že jde o skvělou nabídku.

 

První laser spatřil světlo světa v roce 1960 díky úsilí amerického vědce Theodora H. Maimana. Ovšem prvním, kdo popsal fyzikální princip laseru, nebyl nikdo jiný než sám Albert Einstein.

< zpět do čísla
banners/1600293600_tesco_390x60.png
reklama un

1333317600_seznamy-125x125-na-web-un-1.gif
reklama
1543878000_mikroskop.gif
dekra_125x125-s.jpg
1597960800_mascotte_125 x 125.jpg
ucebnice
1599602400_okentes.gif
anketa
Pomůže Strategie 2030+ změnit školství k lepšímu?
ANO
NE
NEVÍM
ano
ne
nevim
40%
33%
27%
evvoluce.png
linka_duvery_240x100.jpg
© Copyright 2010 - 2020 Učitelské noviny, ČTK / realizováno: manilot.cz