Témata
Reklama

Laser - super nástroj pro člověka

Letos v květnu oslavíme 60. výročí od sestavení a spuštění vůbec prvního laseru na světě. Za pouhých šedesát let výzkum a vývoj laserových technologií urazil velký kus cesty. Také Česká republika se na rozvoji významně podílí - v letech 2014 a 2015 byla v Dolních Břežanech u Prahy otevřena v rámci OP VaVpI hned dvě výzkumná centra s nejvýkonnějšími a nejintenzivnějšími lasery na světě. Již v minulosti jsem navštívila výzkumné centrum HiLASE (MM 1_2/2018/180131), nyní mé kroky směřovaly do sousedního ELI Beamlines, kde jsem se setkala s Alešem Hálou, který je zodpovědný za oblast transferu technologií. Přijměte pozvání do tajů laboratoří, které využívají nejintenzivnější lasery na světě.

Centrum ELI Beamlines je součástí projektu ELI (Extreme Light Infrastructure), výzkumné infrastruktury panevropského významu, a součástí plánu Evropského strategického fóra pro výzkumné infrastruktury (ESFRI). Výzkumná infrastruktura projektu ELI zahrnuje pracoviště umístěné na území České republiky, Maďarska a Rumunska zabývající se zkoumáním interakce světla s hmotou při nejvyšších intenzitách, nejkratších časových intervalech a širokých spektrech elektromagnetického záření od infračervené až po gama oblast.

Reklama
Reklama
Výzkumné centrum ELI Beamlines sídlí v Dolních Břežanech u Prahy. Architektonicky oceněnou budovu v několika soutěžích projektovala mezinárodní architektonická kancelář Bogle Architects. (Zdroj: ELI Beamlines)Centrum si klade za cíl dlouhodobě provozovat nejintenzivnější laserový systém na světě. Díky ultrakrátkým vysokovýkonovým (10 PW) laserům o intenzitě až do 1024 W.cm-2 nabízí uživatelům jedinečný zdroj záření a paprsků částic. Tyto tzv. beamliny umožňují průkopnický výzkum nejen v oblasti fyziky a vědy o materiálech, ale také v biomedicíně, laboratorní astrofyzice a mnoha dalších oborech. Výzkumné a aplikační projekty zahrnují interakci světla s hmotou o intenzitě, která je asi desetkrát větší než současné dosažitelné hodnoty. Přináší tak nové poznatky, potenciálně využitelné např. v lékařském zobrazování a diagnostice, vývoji a testování nových materiálů nebo rentgenové optice.

Oceněná budova a cenné systémy

Otevření centra ELI Beamlines se datuje od roku 2015 (sousední HiLASE bylo otevřeno o rok dříve) a celková investice do centra byla 280 milionů eur (asi 7,5 miliardy korun). Laserové systémy v něm umístěné samy o sobě stály asi 100 milionů eur. Centru dominuje architektonicky významná i oceněná administrativní budova. Autorem projektu je mezinárodní architektonická kancelář Bogle Architects. Stavba byla oceněna v českém i mezinárodním kontextu, získala titul Architektonický projekt roku 2014, MIPIM Awards 2016 a další ocenění. To cennější se však nachází ve třípatrové budově za ní. Za jedenapůlmetrovou stěnou se skrývají čtyři vysokovýkonové pevnolátkové lasery s ultrakrátkými pulzy. Jedná se o laserové systémy, které byly vyvinuty a sestaveny speciálně pro ELI Beamlines. Jejich unikátnost spočívá především v kombinaci vysokých energií v jednom ultrakrátkém pulzu při vysokých opakovacích frekvencích. Pro provoz těchto laserů okupují horní část budovy technologie zabezpečující jejich generování, plynulý a bezpečný chod (oscilátor, kryogenika, čerpací pumpy na vakuum atd.) a následnou distribuci laserových paprsků vakuem dále do experimentálních laboratoří. Tyto laboratoře jsou umístěny v podzemí. V nich se paprsky využívají k výzkumu v různých oblastech vědy – materiály, biomedicína, fyzika plazmatu, urychlování částic a další.

V loňském roce byl zahájen tzv. „call zero“ neboli zkušební provoz. V průběhu letošního roku vznikne také ELI ERIC (European Research Infrastructure Consorcium) – konsorcium evropské výzkumné infrastruktury, které je podle legislativy provozováno vždy na neziskové bázi, přičemž právní rámec ERIC umožňuje rozvíjet hospodářské činnosti výlučně v omezené míře. Mezi členy ELI ERIC budou Češi, Maďaři, Litevci a Italové. V budoucnu se předpokládá, že se přidají i další země. Model fungování ELI ERIC je podobný, jako má např. CERN, kdy každá zúčastněná země ročně přispívá dohodnutým finančním obnosem. Tím si mimo jiné zajistí podíl vlastních lidí na probíhajících výzkumech.

Laserové systémy pro zcela nové experimenty

Čtyři laserové systémy označované L1 až L4 se od sebe liší zejména výkonem, velikostí energie v pulzu a frekvencí, přičemž ten nejintenzivnější (L4) dosahuje špičkového výkonu až 10 petawattů s energií v pulzu až 1,5 kJ. Laser Aton, jak se L4 říká, využívá k zesílení ultrakrátkých pulzů (femtosekundových, 10-15) OPCPA technologii (Optical Parametric Chirped Pulse Amplification). Tato metoda vychází z vynálezu Francouze Gérarda Mourou a Kanaďanky Donny Stricklandové z 80. let minulého století, kteří za ni v roce 2018 získali Nobelovu cenu za fyziku. Technologie je založena na časovém roztažení impulzu před zesílením, samotném zesílení a jeho následné kompresi. Časové prodloužení laserového impulzu je potřebné ke snížení intenzity laserového svazku tak, aby jeho velká intenzita nepoškodila aktivní médium, ve kterém se svazek zesiluje. Po zesílení v několika laserových zesilovačích se svazek zase zkrátí v optickém kompresoru. Optický kompresor, který využívá Aton, je dlouhý 18 metrů a váží 55 tun. Laserový svazek, než dorazí do experimentální místnosti, urazí vzdálenost až 130 metrů. Samotný laser L4 Aton je světový unikát – ostatní lasery v této kategorii jsou schopny generovat laserové pulzy pouze několikrát za hodinu, kdežto Aton generuje pulz každou minutu. Technologie OPCPA pro zesílení pulzů je použita také u laserů L1, L2 a L3. Všechny čtyři laserové systémy jsou pevnolátkové, přičemž L1, L2 a L3 jsou diodově čerpané (technologie DPSSL) a systém L4 je čerpaný výbojkami (tzv. flashlamp-pumped). Laser L1, jenž dostal jméno Allegra, disponuje oproti ostatním o mnoho menším výkonem, a to „pouhých“ 5 TW, avšak dokáže vygenerovat pulzy trvající pouze sub20fs (dvacet miliardtin z miliontiny sekundy) s energií 100 mJ při vysoké opakovací frekvenci 1 kHz. Systém Allegra byl oproti ostatním prakticky celý vyvíjen laserovým týmem z centra ELI Beamlines. Ostatní lasery byly vyvíjeny v kooperaci s dalšími světovými výzkumnými centry. Všechny čtyři systémy budou fungovat ve vzájemné součinnosti. A právě takovéto propojení je unikátní a díky němu bude možné provádět zcela nové typy experimentů.

Centrum ELI je vybaveno čtyřmi vysokovýkonovými pevnolátkovými lasery s ultrakrátkými pulzy. Jejich unikátnost spočívá především v kombinaci vysokých energií v jednom pulzu při vysokých opakovacích frekvencích. (Zdroj: ELI Beamlines)

Výzkumy a potenciál laserů ELI

Přiznám se, že je pro mě jen těžko představitelné, co výše zmiňované obrovské hodnoty v reálu znamenají, proto se mi je pan Hála pokusil vysvětlit na příkladech. Je koneckonců odpovědný za transfer technologií a právě nabízení těchto výzkumných kapacit a vyvinutých technologií je přímo v popisu jeho nelehké práce.

Jedním z výzkumů, které v ELI budou probíhat, jsou biologické a materiálové aplikace a tzv. imaging, kdy např. za pomoci rentgenové difrakce se budou studovat krystalické molekulární struktury na atomární úrovni a s ultrakrátkým časovým rozlišením. Koherentní difrakční zobrazovaní umožní pomocí ultrakrátkých rentgenových pulzů zachytit strukturu molekul či buněk organismu s mnohem lepším rozlišením, než umožňují mikroskopy. Jinými slovy, sledování chování látek a materiálů o ultradrobných rozměrech a při ultrarychlých procesech uplatnitelných např. při vývoji polovodičů a další.

Další výzkum se bude zaměřovat na využití femtosekundového rentgenového záření pro rentgenovou mikroskopii s fázovým kontrastem, která by mohla mít velký význam pro vývoj nových postupů v personalizované medicíně, pro časnou detekci malých nádorů nebo např. detekci léčiv v těle.

Laserové paprsky z vysokovýkonových laserů se využívají k výzkumu v různých oblastech vědy – materiály, biomedicína, fyzika plazmatu, urychlování částic a další. (Zdroj: ELI Beamlines)


Výzkumný program fyziky plazmatu se bude zabývat plazmatem generovaným laserem, např. pro studie astrofyzikálních jevů v laboratorním měřítku. Konkrétní výzva pro ELI Beamlines je přispět k praktickému využití vysokovýkonových laserů formou řízené termonukleární fúze pro výrobu energie. V této oblasti výzkumu byly ELI Beamlines připsány již první úspěchy v podobě patentované technologie popisující iniciaci termojaderné fúze laserem.

V neposlední řadě jde o výzkum urychlování částic, který umožní produkovat víceúčelové stabilní svazky nabitých částic (iontů a elektronů). Tyto částice budou urychleny na relativistickou rychlost obrovskými elektrickými poli vznikajícími po interakci laseru a plazmatu. Takto bude možné realizovat velmi kompaktní urychlovače, které se dají využít např. pro laserem řízenou hadronovou terapii – neinvazivní léčba nádorových onemocnění nebo pro pozorování srážek urychlených elektronů s pozitrony.

Transfer technologií

Unikátní výzkumné nástroje centra s průlomovými parametry jsou otevřené i potenciálním komerčním partnerům z celého světa. Zájemcům centrum nabízí licenční smlouvy na patentované technologie, smluvní výzkum, prodej výzkumného času, pronájem přístrojů a odborné síly i další druhy spolupráce. Jednou z nabízených služeb už dnes je LIDT (Laser Induced Damage Threshold) zařízení na testování prahu poškození způsobené laserem, kde lze testovat různé optické komponenty. Služba je vhodná např. pro výrobce optických komponent, ochranných pomůcek pro práci v extrémním prostředí a pro laserová pracoviště. Dalším nabízeným produktem je polohovací zařízení do optických/laserových systémů, které bylo navrženo pro práci ve vysokém vakuu a které dokáže s vysokou přesností polohovat úhel naklonění s až 90 000 kroky, přičemž jeden krok je menší než 0,1 mikroradiánu. Dále byl v ELI vyvinut a je nabízen ukončovač laserového záření (High Power Laser Beam Dump), který dokáže absorbovat laserový paprsek krátkých pulzů (ns, ps, fs). Využívají se různé způsoby chlazení tohoto ukončovače (voda, vzduch). Hojně je využíván také v laboratořích ELI Beamlines.

Centrum ELI Beamlines a jemu podobné mají pro vědu a výzkum, ale zejména pro lidstvo obrovský potenciál. Mě osobně nejvíce fascinuje možnost generování čisté energie pomocí termojaderné fúze. Aleš Hála by asi za největší úspěch a nejpřínosnější projekt považoval léčbu nádorových onemocnění. „Rozdělil bych to na dvě části: Z dlouhodobého hlediska bych za největší přínos považoval rozšíření léčebné metody rakoviny, ať už protony, či elektrony, do veřejných zdravotnických zařízení. Z krátkodobého hlediska bych byl rád, kdyby se nám podařilo kvalitně a spolehlivě nabízet imaging – využití rentgenového záření pro zobrazování subjektů ve 3D i s časovým rozlišením – využitelný pro biotechnologie (zobrazování proteinů a molekulových struktur) nebo mikroelektroniku,“ uzavírá naše povídání.

Reklama
Související články
Platforma pro kolaborativní návrh i výrobu

Každoroční uživatelské setkání společnosti Dessault Systèmes dostalo nové jméno 3DExperience World. Jde o pokračování pravidelné konference Solidworks World pro uživatele softwarových nástrojů Solidworks. Nové jméno odráží nový ekosystém tvořený celou řadou inovativních řešení od společnosti Dassault Systèmes. Akce 3DExperience World 2020 se konala začátkem února v americkém Nashvillu ve státě Tennessee a účastnilo se jí na 6 000 konstruktérů, inženýrů a prodejců z celého světa.

Největší událost ve světě technických textilií

V polovině letošního května se opět po dvou letech souběžně konaly dva
textilní veletrhy: Texprocess – mezinárodní veletrh strojů a zařízení pro textilní
průmysl a Techtextil – mezinárodní veletrh technických a netkaných textilií.
Po čtyři dny se veletržní a výstavní centrum ve Frankfurtu nad Mohanem stalo
jednou z předních mezinárodních platforem pro uživatele technických textilií
z nejrůznějších odvětví, ale také pro výrobce oděvů, módního oblečení,
čalouněného nábytku a kožených výrobků.

Ohlédnutí za MSV 2018

Jubilejní strojírenský veletrh v Brně se i letos nesl ve znamení inovací, technických i technologických novinek (často také světových premiér), ale hlavně v duchu oslav stého výročí založení Československé republiky, takže se také vzpomínalo na historické úspěchy v technice v expozici 100RIES. A není tedy divu, že partnerskou zemí bylo letos Slovensko. Na následujících řádcích přinášíme malé ohlédnutí za veletrhem, kde připomeneme některé exponáty, které v očích naší redakce za zmínku a vzpomínku stojí.

Související články
TOSmeet & TOSday 2018

Zákaznický den ve firmě TOS Varnsdorf tradičně patří k vyvrcholení půlročního maratonu open houses, které pořádají téměř všechny výrobní a obchodní společnosti v komoditě obráběcích strojů pro své zákazníky a obchodní partnery. Zejména u výrobních firem je neopakovatelnou příležitostí zavítat do jejich provozů, zhlédnout zdejší technologické možnosti, být přímo od zdroje informovaný o žhavých novinkách a technologických řešeních, a v neposlední řadě pak potkat a pohovořit se známými lidmi.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Koroze napříč všemi obory

Mezinárodní konference Eurocorr, která každoročně přiláká k účasti tisícovku zástupců komerční i akademické sféry včetně nejvýznamnějších celosvětově uznávaných korozních inženýrů, řadu sponzorů a vystavovatelů z oblastí povrchových úprav a povlaků kovů, chemických úprav prostředí, elektrochemických protikorozních ochran, korozního monitoringu, inspekce a zkušebnictví a mnoha dalších, se letos v září díky Asociaci korozních inženýrů poprvé v historii konala v Praze.

Made in Asia

Třináctý ročník výstavy China International Machine Tool Show se opět nesl v duchu změn, které v Číně delší dobu probíhají. Čeští škarohlídi se ve zprávách „radují“, že růst Číny v minulém kvartále zpomalil. A hned udávají čísla ze 7,4 na 7 procent. Zajisté katastrofální – sarkasmus. V tomto textu se dostaneme k některým aspektům i konkrétním objektům vystavované výrobní techniky, kterých si letos stálo za to všimnout.

Lasery v Leibingerově nadaci 2014

Koncem letošního září se opět po dvou letech udílely v rámci Leibingerovy nadace, o které se v našem časopise pravidelně zmiňujeme, ceny za vybrané vynikající výsledky dosažené v různých oblastech využití laserů a laserových technologií. Tři ceny inovace, dotované částkou třicet, dvacet a deset tisíc eur, by měly obsáhnout co nejširší sféru uplatnění laseru, a to nejen v průmyslu, ale i v jiných oborech lidské činnosti.

Festival Česká inovace 2014 je již minulostí

Pátek, nikoliv 13., ale 14. března 2013 patřil inovacím. Jak jsme vás průběžně na facebookových stránkách MM Průmyslového spektra aktuálně informovali přímo z dění z pražské Národní technické knihovny, konal se zde Festival Česká inovace. Cílem soutěže i festivalu samotného je pomoci zajímavým nápadům uplatnit se na trhu, vzájemně jejich autory propojit a spoluvytvářet tak inovativní prostředí v Česku. Organizátorem festivalu je Česká inovace a společnost Blue Events.

Red Bull na území dlouhorohého skotu

V Evropě se toho poměrně málo ví o australských automobilových závodech Super V8, porovnáme-li to například s německými závody cestovních automobilů (DTM) nebo vozy formule 1. Ale pokud jde o uzavřené vypjaté závody, jen stěží se show V8 co vyrovná. Vítězným týmem roku 2013 je Red Bull, jehož sponzorem byla firma Triple Eight sídlící v Brisbane, ve státě Queensland v Austrálii. Během uplynulé sezony byla celá show V8 přepravena do Texasu, aby pobavila svou rozrůstající se základnu amerických fanoušků.

Obráběcí stroje na EMO Hannover 2013

Technická veřejnost měla velikou příležitost seznámit se v únoru se současným stavem vývoje a s výzkumnými a vývojovými trendy v oboru obráběcích strojů a obrábění na odborném semináři reflektujícím postřehy z výstavy EMO Hannover 2013, nejprestižnější a největší strojírenské události ve světě. Letošní seminář se navíc konal při příležitosti oslav 150. výročí založení Fakulty strojní ČVUT. Organizátoři akce přivítali na půdě FS ČVUT v Dejvicích 227 odborníků ze 40 firem a 10 škol.

Mládí nelze zastavit!

Pokud odhodlání tvrdě pracovat není dovedností, je to hned další nejlepší věc. Máte-li dobrou pracovní morálku, dovednosti a jste mladí, neexistují žádné hranice, kam vás vaše energie může posunout. Bryana Schmidta z firmy TGS Precision touha po tvrdé práci zavedla až do venkovské oblasti státu Tennessee, kde 6 dnů v týdnu provozuje CNC obráběcí dílnu a ve dnech volna jezdí na člunu nebo loví vysokou zvěř.

Step by step...but fast

Neexistuje mnoho komodit na světě, kde by výrobky, řekněme prvních TOP deseti firem, byly na tak podobně špičkové technické úrovni, jako je tomu v oblasti řezných nástrojů. Globalizace a fúze, jejíž jsme v poslední době svědky, hraje v těchto případech prim a pomáhá firmám těžit z celé řady výhod vyplývajících ze členství v nadnárodních korporacích. Od většího objemu financí do centralizovaného výzkumu a inovací, využívání dílčích know-how, přes snadnější přístup na trhy, kde jsou ostatní členové uskupení již dobře etablováni, až po upevňování vazeb se stávajícími a získávání nových zákazníků jenž reflektují jejich inovace a profesionální servisní služby vycházející z jejich globálního působení. Na druhou stranu však zákazníci nadnárodních koncernů mohou postrádat individuální přístup více se koncentrující na spokojenost konkrétního zákazníka v dané lokalitě a jsou "obětmi" dosažení každoročních nárůstů obratu, jenž stanovuje management působící na druhé polokouli světa. Pozitiva z globálního uskupení jsou bezesporu však převažující.

Nasazení řídicího systému v teplárně Náchod

Koncem května tohoto roku dokončila společnost ZAT v teplárně Náchod výměnu vstupně výstupních modulů v demi-stanici. Implementovaly se zde moduly B&R s převedením řízení pod nový řídicí systém SandRA, které tak navázalo na implementaci nového řídicího systému z podzimu loňského roku.

NPE 2012 a plastové materiály

V Orlandu na Floridě se na sklonku jara konala největší událost roku v průmyslu plastů - trienale NPE 2012, která současně oslavila 75. výročí založení SPI (Society of the Plastic Industry). Poprvé po 40 letech se National Plastics Exhibition, tento vrcholný veletrh amerického plastového průmyslu, nekonal v červnu v Chicagu, ale o něco dříve na Floridě, mimo centra automobilového průmyslu, plastů a strojírenství amerického Středozápadu.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit