Rozhovory

Letos v únoru byl v centru ELI Beamlines demonstrován provoz laserového systému L3-HAPLS na úrovni 0,5 petawattu při opakovací frekvenci 3,3 hertze a dosáhl světového rekordu. Můžete pro laiky jednoduše vysvětlit, o jaký rekord šlo a jak jej bylo dosaženo?

Centrum ELI Beamlines je fyzikální pracoviště, které využívá pulzních laserů k provádění různých experimentů. To znamená, že pomocí velmi intenzivních fotonů – laserových pulzů se generují svazky rentgenového záření či svazky urychlených částic. Velmi podstatný je přitom výkon pulzního laseru. Proto je rekord, jehož bylo letos v únoru dosaženo, důležitý. Pro urychlení částic nebo vytvoření mimořádně krátkých i jasných rentgenových pulzů, které zachytí až milionkrát menší hmotu než běžný rentgen ve zdravotnictví, je potřeba energetický paprsek v délce trvání 27 femtosekund, tedy 27 × 10⁻¹⁵ sekund, tedy o délce odpovídající zhruba lidskému vlasu. Tento pulz obsahuje 12 joulů energie. Ta, zkomprimovaná do krátkého časového intervalu, dosahuje výkonu 0,5 petawattu, což je právě hodnota, která takové zařízení řadí na úroveň supervýkonných laserových systémů.

Podstatnější ale je, že počet opakování jednotlivých pulzů, tedy jejich frekvence, činí 3,3 hertze, přičemž ty nejlepší lasery dnes ve světě dosahují četnosti opakování okolo jednoho hertze. V tom spočívá unikum laserového systému L3-HAPLS. Minuta či hodina jeho provozu představuje obrovské množství energie, což je důležité pro jeho praktické využití v oblasti diagnostiky ve zdravotnictví nebo výzkumu struktury pevných látek. Jednou z konkrétních aplikací v lékařství může být například léčba nádorových onemocnění prostřednictvím protonové terapie. Dosavadní medicínské aplikace k urychlování částic využívají cyklotrony, které jsou velmi robustní. Řešení pulzním laserem má potenciál být mnohem úspornější, a proto i dostupnější. L3-HAPLS měří dvanáct metrů, srovnatelné klasické urychlovače jsou až o řád delší.

ELI Beamlines je největší výzkumný projekt v dějinách České republiky za více než sedm miliard korun a je součástí evropské výzkumné iniciativy Extreme Light Infrastructure. Do výbavy centra patří čtyři lasery, z nichž jeden (L4 ATON) je nejvýkonnější na světě. Na jakých projektech nyní ELI Beamlines pracuje?

Evropská unie se na vybudování centra ELI Beamlines podílela 85 procenty. Zjednodušeně řečeno cílem bylo vybudovat obdobu CERNu pro lasery. Na základě dosavadních poznatků a potřeb vědy byly proto identifikovány parametry laserových systémů, kterými by takové výzkumné středisko mělo být vybaveno. Liší se od sebe frekvencí opakování v rozmezí jeden pulz za minutu až po jeden pulz za tisícinu vteřiny, stejně jako vybuzenou energií od 100 milijoulů po dva kilojouly. Těchto parametrů je možno využít jako nové zobrazovací techniky struktury hmoty. Ty kupříkladu umožňují sledovat trojrozměrně a v reálném čase chemickou reakci na molekulární úrovni, což má velkým význam pro využití ve farmacii. Další oblastí výzkumu je takzvaná laboratorní astrofyzika, která zkoumá chování hmoty ve vesmíru čili vývoj hvězd a s tím související elementární procesy, ke kterým patří i termojaderná fúze, jež je potenciálním zdrojem energie pro lidstvo. Laserem vyvolaná fúze je vedle vývoje materiálů a biomolekulárních aplikací jedním z projektů, na kterých nyní ELI Beamlines pracuje. Patří k nim využití svazků urychlených částic k bombardování vyhořelého paliva z atomových elektráren s cílem urychlení jeho rozpadu.

Klíčové je, že koncept ELI Beamlines je definován jako vývoj nových technologií na celoevropské úrovni, proto toto výzkumné středisko nabízí prostřednictvím otevřených výzev svou experimentální kapacitu vědcům po celém světě.

Centrum HiLASE jako jediné v České republice disponuje technologií laser shock peening. Jak tato technologie funguje a k čemu slouží?

Tato technologie využívá laserových pulzů s vysokou energií, jež se využívají k zušlechťování povrchu různých materiálů. Krátké pulzy nenaruší strukturu materiálu, jako se to například děje při mechanickém vytvrzování povrchových vrstev různých kovů. Laser shock peening má stejný efekt jako řekněme buchar, ale díky koncentraci rázu na velmi malou plochu neporuší strukturu materiálu, a proto nedochází k únavovým projevům, jako jsou trhliny a podobně, v místech zvýšeného namáhání. Zatím to není běžná ani levná metoda, ale její aplikace se ekonomicky vysoce zhodnotí například u drahých dílů leteckých motorů, v kosmonautice a dalších oblastech průmyslu, kde je podstatná dlouhodobá materiálová spolehlivost a odolnost. Kromě jiného je laser shock peening možné využít také pro zpracování nástrojových materiálů pro obrábění i tváření.

Jestliže je centrum ELI Beamlines evropský projekt, kdo bude vlastníkem patentů, které případně budou přihlášeny na základě výsledků práce tohoto výzkumného střediska?

Centrum ELI Beamlines je součástí FZÚ AV ČR, která je vlastníkem hmotného i nehmotného majetku, a tedy i patentů. Nicméně již od počátku projektu máme záměr, aby podle modelu CERNu vznikl mezinárodní právní subjekt, konsorcium, do něhož by mohly vstupovat jednotlivé státy. Legislativa Evropské unie umožňuje takový subjekt vytvořit jako ERIC – European Research Infrastructure Consorcium. Česká republika spolu s dalšími zeměmi takový nadnárodní výzkumný subjekt zakládá a v nejbližší době by jej Evropská komise měla registrovat. Státy, které budou členy konsorcia, se pak budou podílet na jeho výsledcích i provozních nákladech. Po vzniku této právní entity dojde k vypořádání majetkových vztahů s FZÚ AV ČR, Česká republika tedy poskytne hmotné i nehmotné statky k plnému využívání ve prospěch konsorcia ELI-ERIC, které ale bude současně ovládat.