Lasery, které pomohou řešit důležité problémy lidstva

Špičkové laserové centrum postavené před několika málo lety v Dolních Břežanech patří mezi nejlepší svého druhu na světě. S jistou nadsázkou by se dala zdejší zařízení přirovnat ke známému urychlovači části CERN. Jejich prostřednictvím je prováděn tzv. primární výzkum, jehož aktuálním cílem není konkrétní využití v praxi, nicméně poznání, ke kterým zde vědci směřují, mohou v konečném důsledku ovlivnit další vývoj lidstva.

Před více než čtyřmi lety vyrostlo v Dolních Břežanech za většinové finanční podpory Evropské unie mezinárodní vědecké centrum provádějící důležité vědecké experimenty pomocí laserů, které ve svém oboru patří ke světové špičce. V budově laserového centra ELI (Extreme Light Infrastructure) Beamlines dnes pracuje kolem 350 lidí, z toho 200 vědců. Přibližně jednu třetinu pracovníků tvoří cizinci. Základem zdejšího výzkumu jsou však především čtyři výjimečné pulzní lasery s různými kombinacemi technických parametrů a nastavení. Vysvětlit práci těchto laserů tak, aby byly jejich schopnosti a přínosy zřejmé i netechnicky vzdělaným čtenářům, není snadné.

Unikátní parametry pro unikátní výzkum

Pro lepší představu lze uvést, že tři z instalovaných laserů dosahují během ultrakrátkých pulzů o délce v řádu femtosekund (15 nul za desetinou čárkou) špičkových výkonů blízkých petawattové oblasti (15 nul před jedničkou, tedy jedna biliarda aneb milion miliard wattů). Nejvýkonnější laser nazvaný Laser 4 (ATON) pak dosahuje krátkodobě výkonu ještě 10x většího, tedy 10 petawattů. Nejde však jen o krátkodobý špičkový výkon či špičkovou intenzitu laserového světla. Lasery na pracovišti ELI Beamlines jsou také výjimečné vysokou frekvencí, s níž mohou velmi intenzivní pulzy opakovat. Někdy jde až o několik desítek pulzů za sekundu. Pokud jde o vlnovou délku světla, které vychází ze zmíněných tří řádově petawattových laserů, ta se pohybuje zhruba od 800 do 1050 nanometrů (miliardtin metru) čili toto světlo se nachází zhruba na hranici mezi červenou částí viditelného světla a oblastí infračervenou, tedy již okem neviditelnou. V srdci jednoho z laserů (Laser 3 − HAPLS) pracuje mj. velký červený krystal titanového safíru, v jehož materiálu se laserové světlo primárně zesiluje.

Výzkum, který zde vědci provádějí, patří k největším projektům v dějinách ČR. Zařízení ELI Beamlines může přitom sloužit stovkám klientů z celého světa.

Zdejší lasery slouží hlavně jako nástroje k vytváření kvalitních a rozmanitých sekundárních zdrojů nabitých částic (elektronů a protonů, resp. lehkých iontů, generovaných např. pomocí velmi krátkých kompaktních urychlovačů) a také sekundárních zdrojů koherentního rentgenového záření, resp. vysokoenergetického záření ultrafialového. Jsou tedy většinou jen prvním článkem řetězu přístrojů. Celé této cestě se pak říká "beamline".

K čemu lasery slouží

Očekává se, že výzkum na pražském pracovišti může značně posunout hranice vědění ve fyzice a astrofyzice, biologii a lékařství, chemii a materiálové vědě, nanotechnologiích a strojírenství, rentgenové optice a v mnoha dalších oblastech. Jednotlivé lasery přitom vznikaly ve spolupráci s mnoha vědci a techniky z jiných pokročilých vědeckých center světa (Lawrence Livermore National Laboratory).

Výzkum, který zde vědci provádějí, patří k největším výzkumným projektům v dějinách ČR. Zařízení ELI Beamlines je přitom jakožto experimentální centrum nyní připraveno sloužit stovkám klientů z celého světa, přičemž jejich počet může dokonce s časem růst. Jakýkoliv vědec nebo vědecký tým odkudkoliv ze světa může přihlásit svůj experiment, resp. příslušný požadavek na něj do transparentní soutěže. Mezinárodní vědecká rada pak na základě jeho kvality rozhodne, zda a kdy se experiment uskuteční. (Lhůty u přijatých experimentů v současné době činí až několik měsíců, podle charakteru experimentu. Počet požadavků v současné době asi 2−3x přesahuje možnosti přístrojového času laserů).

Centrum ELI Beamlines vybavené pulzními lasery výjimečných parametrů

Foto: ELI

"Přínos ELI pro Česko je nesporný. Laserové centrum Dolní Břežany se už dnes stává významným 'gravitačním centrem', které láká vědecké kapacity ze zahraničí a naopak brání odlivu českých mozků. Také stimuluje rozvoj dalších výzkumných a inovačních kapacit v ČR," uvádí k významu centra doktor Georg Korn, vedoucí vědeckého experimentálního programu ELI Beamlines.

Aplikace a spolupráce

Výsledné krátké intenzivní pulzy rentgenového záření mj. vědcům umožňují dokumentovat průběh chemických reakcí či pohyby a skládání proteinů ve formě jakýchsi zpomalených filmů a provádět diagnostiku buněk. Produkce nabitých částic může mj. vést k terapii nádorových onemocnění a posloužit i v diagnostice pravosti uměleckých děl (obrazů, soch). ELI Beamlines mají také význam pro základní vědu − primární intenzivní svazky laserového světla umožní nové experimenty v oblasti fyziky pevných látek, plynů, plazmatu i vakua, kdy dokonce může docházet i k tzv. kreaci částic. To vše pomůže k obohacení výzkumu např. o lepší modely procesů v nitru hvězd, k rozvoji elektroniky a materiálové vědy. ELI Beamlines také spolupracují v oblasti medicíny a v oblasti působení léků (farmakokinetiky) s řadou institucí v ČR a v Německu. Velký objem dat z experimentů je zpracováván díky menšímu superpočítačovému centru přímo v budově ELI i prostřednictvím napojení na nejrůznější superpočítačové clustery i cloudy jinde ve světě.

ELI Beamlines spolupracují jak s pracovišti Univerzity Karlovy, AV ČR a ČVUT (v rámci Konsorcia ELI-CZ), tak se spoustou pracovišť a vědců z celého světa (Británie, USA, Francie, Německo, Itálie, Portugalsko, Španělsko, Polsko, Japonsko, Rusko, Čína). Dr. Korn pracoval v minulosti v mnoha významných vědeckých centrech světa a odtud si také odnesl kontakty, které využívá při budování mezinárodní spolupráce a propojování ELI Beamlines s pracovišti po celém světě.

V rámci STAR clusteru i širšího okolí také existuje výrazný zájem o spolupráci s ELI Beamlines, který přichází od zdejších firem, také probíhá vytváření spin-offů − přidružených inovačních firem. Dolní Břežany vycházejí v tomto smyslu velmi dobře i ve srovnání s podobnými regiony ve Francii, Německu a USA.

Foto: ELI

Výhledy do budoucna

Momentálně jsou lasery v Dolních Břežanech na špičce světového vývoje, ale je třeba průběžně zlepšovat jejich parametry a úroveň, protože konkurence ve světě nespí. Pokud jde o zvyšování intenzity a výkonů laserů směrem k exawattům (výkonům asi ještě tisíckrát větším), lze čekat nejspíše upgrade CPA zesilovačů ve formě dalšího zkracování pulzů. Výraznou časovou kompresí při stejné celkové energii pulzu lze totiž dosáhnout stejné efektivní intenzity jako u exawattových laserů, aniž by bylo nutno stavět nový a drahý primární laser s mnohem větším výkonem (až do špičkového výkonu na efektivní úrovni 300−500 petawattů).

Důležitá je také spolupráce ELI Beamlines s Ústavem fyziky plazmatu AV ČR při výzkumu termonukleární fúze. Dr. Korn je přesvědčen, že zažehnutí jaderné fúze se poprvé ve světě uskuteční právě cestou laserové (inerciální) fúze, a to zhruba za 10 let. Vědci se také budou snažit pomocí laserů a jimi v různých materiálech generovaných neutronů vyrábět nové jaderné palivo z dnešního jaderného odpadu.

"Potřebujeme budovat chytré továrny, vyvážet je a vyrábět s jejich pomocí vyspělé a inovativní výrobky. Celkové pochopení pro roli vědy a technologií v současnosti roste. Na druhou stranu jde o běh na dlouhou trať, tato tradice se musí budovat systematicky po dobu mnoha desetiletí," uvádí k významu ELI Beamlines a obdobných projektů Dr. Korn, podle něhož je pro budoucnost České republiky nesmírně důležité, aby se stala vysoce technologicky rozvinutou a vědu podporující zemí.

Článek byl publikován v magazínu Region STAR.