Rozhovor s vedoucím vývoje laserového centra ELI Bedřichem Rusem

To nejzajímavější objevíme náhodou

Rozhovor s vedoucím vývoje laserového centra ELI Bedřichem Rusem
To nejzajímavější objevíme náhodou

Obsah dostupný jen pro předplatitele.
Přihlásit se můžete zde.

Pokud nemáte předplatné, nebo vám vypršelo, objednat si ho můžete zde.

Obsah dostupný jen pro předplatitele.
Předplatné můžete objednat zde.

Pokud nemáte předplatné, nebo vám vypršelo, objednat si ho můžete zde.

V obci Dolní Břežany, jež přiléhá na jihu ku Praze, bylo v posledních čtyřech letech postaveno mezinárodní výzkumné laserové centrum Extreme Light Infrastructure – Beamlines (nebo ELI). Díky sedmi miliardám korun vůbec nejdražší vědecká investice v Česku. Stavba vloni získala 1. místo v soutěži Grand Prix architektů 2016 v kategorii novostavba. Lasery v ní ale ještě nejsou. Mají být celkem čtyři, čerstvě dostavěn je první, a mají být nejvýkonnější na světě. Co jsou vlastně lasery zač, jak se technologie vyvíjí, k čemu má sloužit výzkum v centru ELI? Na to vše odpovídá místní vedoucí vývoje laserů Bedřich Rus.

Co vlastně je laser? Myslím, že kdekdo má z filmů a počítačových her představu výkonného silného energetického paprsku.

Laser je zařízení, které umožňuje vytvářet velmi intenzivní, úzce směrovaný svazek světla ve velmi krátkých záblescích. Přičemž lze ovlivnit, zda tyto záblesky jsou krátké, nebo delší. Výzkum zajímá situace, kdy jsou záblesky co nejkratší, až nepředstavitelně krátké. Dějí se v časech, které se poměrně vymykají chápání. Nicméně v tom právě je podstata zajímavosti těchto instrumentů: za krátký čas dokáží vyzářit ne nijak ohromující, přesto poměrně významnou energii.

"Pomocí laseru lze vytvořit urychlování protonů pro protonovou terapii, která je neuvěřitelně mocným nástrojem pro eliminaci zhoubných nádorů." - Foto: Jan Zatorsky

Lze čas, o němž mluvíte, vyjádřit přesněji?

Laser je zařízení, které nějaký čas – minutu, vteřinu, desetinu vteřiny – akumuluje energii. A tu pak vybije třeba během biliardtiny biliardtiny vteřiny. Ale energie, kterou vybíjí, je pořád táž, jíž se nabil.

A kdybychom to opsali příkladem?

Je to, jako byste si vzal palici, tou tlačil na hlavičku hřebíku a pak si vzal kladívko, které může mít menší váhu než ona palice, ale do hlavičky hřebíku byste jím intenzivně uhodil. A když normálně vážícím kladívkem uhodíte do hlavičky hřebíku velkou silou, můžete vytvářet změny nějaké situace nějakých hmotných objektů. V tom je ten vtip. V zásadě jde o to, že za velmi krátkou dobu světelný záblesk laseru má tak velkou intenzitu, že dokáže svým elektrickým polem ve hmotě od sebe odtrhnout všecky její konstituenty. Atomy, v atomech od sebe elektrony a protony a tak dále. Totéž udělat jiným instrumentem není možné, takže v tom je unikátnost laserů, v tom jsou zajímavé.

Jaká tedy je energie laseru v jednom impulzu?

Ne až tak ohromující. Je to energie, která by stačila k ohřátí kávové lžičky z pokojové teploty na bod varu. Ale je dodána v tak krátkém čase, že když si stanovíte intenzitu, to znamená sílu světelného pole, je její intenzita záření stejná, jako by během toho kratičkého času Slunce vyzařovalo všecku svoji zářivou energii z plochy, já nevím, metr krát metr. To samozřejmě je neuvěřitelná hodnota. K ní se může dojít v laboratoři na maličkém vzorku a po krátký čas, kdy intenzita světla a toho světelného pole jsou tak nepředstavitelně obrovské, že právě hmotu lze roztrhat na její základní konstituenty. A to kontrolovatelným způsobem – v tom spočívá podstata dejme tomu částic urychlovaných pomocí laseru a jejich využití třeba v medicíně.

Uvádí se, že systém čtyř laserů, jež vznikají pro ELI, je nejvýkonnější na světě. Představují velký posun v porovnání s tím, co lasery uměly dosud? Nebo jinak: je laserový vývoj kontinuální, či skokový?

Co se týká výzkumu laserů, máme dvě základní novinky. Tou první je, že tři z našich čtyř – a vlastně i část toho čtvrtého – jsou oproti předešlým laserům založeny na technologii nové generace. Je to něco podobného, jako byste v roce 1960 místo elektronkového rádia držel v ruce tranzistorové. Podstatou starších laserů byly vakuové elektronky a vakuové výbojky se všemi nevýhodami a omezeními, které to obnášelo. Zatímco v nových laserech není vakuová elektronka či výbojka ani jediná. Laser, který jsme zrovna dokončili ve Spojených státech v Lawrence Livermore National Laboratory, už je postaven na bázi polovodičů. V tom je jedna výrazná změna.

A ta druhá novinka?

Ta je v intenzitě záření. Nové lasery nejsou nejvýkonnější a nejsilnější v tom smyslu, že by se jimi dalo pálit na vojenský cíl a zničit ho. Tak to není. Jsou to lasery, které za krátkou dobu dokážou poskytnout zatím největší energii, jakou se podařilo s lasery realizovat. Jak známe z fyziky, výkon je práce či energie měřená časem. Takže ta energie sice je relativně umírněná, ale trvá v tak krátkém čase, že podíl těchto dvou hodnot bude největší, jaký se zatím kdy podařilo realizovat. To jsou dvě taková nej.

Jak to, že laserové centrum ELI stavíme zrovna u nás?

Když jsme v roce 2007 nebo 2008 začali uvažovat o možnosti postavit u nás takto velké laserové centrum, jako je ELI, sešla se k tomu řada poměrně šťastných okolností. Ve Spojených státech zrovna dokončovali svůj obrovský laser na laserovou fúzi a šly do něj všechny tamní peníze. To je obrovský laser, který poskytuje poměrně dlouhé pulzy – velký je jako dvě hokejové haly v pražských Vysočanech. Takže proto v Americe na stavbu dalšího systému nebyl prostor, svou prioritu měli danou: dokončit laser na výzkum laserové fúze. A protože s Američany máme velmi dobré vztahy a máme jejich důvěru, byla tamní výzkumná komunita velmi otevřená poskytnout nám de facto strategickou technologii, pokud se u nás podaří získat její financování.

Čili jsme využili šťastné shody okolností.

Ano. A ta druhá šťastná shoda okolností byla v tom, že naši nejbližší evropští partneři, což jsou Angličané, sice zamýšleli udělat něco podobného jako ELI, jenže v té době na takové centrum v Anglii nebyly peníze. Kdežto tady byla možnost čerpat prostředky z evropských dotací. Ty sice jsou pro českou společnost většinou naprostá hrůza, ale snad aspoň vědecký výzkum ukázal, že někdy mohou být i prospěšné. A protože jsme měli vynikající vztahy s Američany a Angličany i zajištěné financování, projekt se podařilo schválit. V dané konstelaci to myslím byla neopakovatelná situace, můžeme být rádi, že jsme nabídnutou šanci neprokaučovali.

Je v české fyzice laserový výzkum dlouhodobý? Patří k jejím oporám?

Ano, a je to jedna z věcí, která vzniku centra pomohla. U nás je laserový výzkum tradičně na velmi dobré úrovni. Zejména v ČVUT byl na světové úrovni vždycky a po roce 1989 se dál rozvíjel velmi úspěšně. O tom se moc neví, ale podařilo se tu koncem 90. let postavit menší, v Evropě ovšem přesto významné laserové centrum PALS. Je ve Fyzikálním ústavu v pražských Kobylisích. Je to jeden poměrně velký laser, který předtím byl stavěn v Německu a my ho tady dostavěli. To bylo v roce 1997. V Mnichově ve Výzkumném ústavu Maxe Plancka se na nás dívali nejdřív shovívavě, ale pak byli poměrně nehraně paf, jak se nám tu s jejich laserem daří.

Laser tedy u nás má dobrou tradici.

Řekl bych v těch nejlepších tradicích inženýrsko-fyzikálního ducha. Není to výzkum jurodivců, kteří sedí za stolem a dělají výzkum na lavici vedle. Nýbrž výzkum, který vyžaduje stavbu instrumentů, dobré inženýrské zázemí a znalost a organizaci. To se povedlo dobře. Čili tradice a inženýrské schopnosti patřily k faktorům, které rozhodly o tom, že ELI vznikne u nás. Jsem hrozně rád. O to víc, a to se nechci vytahovat, že postavit ELI byl můj nápad.

To se klidně vytahujte. Jak to bylo?

V Evropě se vytvořila takzvaná road mapa budoucích výzkumných infrastruktur v Evropě. Jsou na ní různé věci: teleskop, zkušební reaktor, systém na překládání jazyků a bůhvíco ještě. A bylo tam i laserové centrum. Kterýkoli ze států mohl říct, že se do něj pustí a financování že bude takové a takové. Když jsem to viděl, řekl jsem si: A proč bychom se do toho nepustili my? Podařilo se tehdy najít podporu ve výzkumné i politické komunitě, lidi nakloněné záměru na akademii i ve vládě.

Hodně zdůrazňujete finance. Až to působí jako preventivní obrana, že centrum stojí hromadu peněz, a nic z něj není. Je vám předhazováno, že je to drahý projekt?

Ale ano, dokonce částí české fyzikální komunity. Ta si špatně svede představit, že by existovaly i jiné věci než s nulovým součtem. Víte, česká komunita výzkumníků je kopií toho, jak vypadá česká společnost, nejsou to žádné hodiny tanečních. Ten americký vítězný spirit, to nahlížení světa v rovnici win-win tady chybí. Nám bývalo předhazováno, že kvůli nám bude méně peněz na jinou českou vědu.

A bude?

Já jsem nepřítel evropských dotací. Myslím, že strašně pokřivily tuto zemi. Že i díky nim se podařilo všem vsugerovat, že korupční jurodivé šílenství je problém číslo jedna české společnosti. To samozřejmě není pravda, jenže evropské dotace k takovému přesvědčení přispěly. Takže si sice střílím vlastní gól, protože ELI by bez evropských dotací nebylo, ale jsem nepřítel dotací. Jistěže některé smysl mají, člověk by neměl být radikál, ale celkově myslím, že dotační programy České republice neprospěly. Třeba u nás doma se z dotací zrenovovalo sportovní hřiště. Teď je báječně vybavené, jenže nikdo neví, co s ním. Místo kusu políčka se vybudoval park s lavičkami. Ale kdo by tam chodil, když vedle jsou pole? To jsou příklady rozhazování peněz za pitomosti. Evropa je v hrozném stavu. Ale to není předmět tohoto rozhovoru.

Tak zpátky k laserům. Jedna z věcí, které budou dělat, je urychlování částic. Doplňují se tedy se švýcarským urychlovačem CERN? Nebo jde o výzkumy paralelní?

Jde o něco jiného. Urychlovač CERN je určen ke srážení těžkých částic hmoty za velmi velkých energií. A to způsobem, který využívá konvenční technologie. Kdežto my se soustředíme na výzkum urychlování částic na podstatně nižších energiích, než jsou ty, které existují ve švýcarském LHC. Na urychlování superkompaktním způsobem, které třeba jednou bude alternativní technologií k CERNu. To je zařízení o průměru čtyřicet kilometrů. Zatímco ELI, pokud všechno půjde dobře, bude zkoušet urychlování na vzdálenosti třeba deseti centimetrů.

Aha.

Čili první ze strategických cílů našeho výzkumu je najít způsoby, jak pomocí laseru a velmi zředěného plynu urychlovat částice na velké energie – zatím ne tak velké jako ve Švýcarsku, ale způsobem, který je neporovnatelně kompaktnější. To je jedna věc. A druhá věc, která je z hlediska použití velmi důležitá, je, že náš princip urychlování částic, protože je takhle kompaktní, může pomoct vytvořit urychlování protonů pro protonovou terapii, která je neuvěřitelně mocným nástrojem pro eliminaci zhoubných nádorů.

A to jak?

Center protonové terapie není mnoho, v Evropě velmi málo. Překvapivě u nás se jedno soukromou iniciativou postavilo naproti Heydrichově zatáčce u nemocnice Na Bulovce. V něm jsou protony urychlovány konvenčním způsobem pomocí elektromagnetického pole v nějaké dutině. Existence tohoto protonového centra je úžasný úspěch, nicméně je to komplikovaný fyzikální nástroj. Přitom by bylo ideální, aby takový instrument byl v každé větší okresní nemocnici. Jenže to zatím – vzhledem k tomu, jakou technologií disponujeme – nelze. Pokud ale se pomocí laseru dokáže, že jsme schopni kompaktně a reprodukovaně protony generovat, je představitelné, že v horizontu dvaceti let by bylo možné stavět komerční stanice pro protonovou terapii, které by byly v nemocnicích stejně běžné, jako už je dneska CT.

Je nějaký předpoklad využití nebo schopností laseru, případně jeho chování, o němž si ještě nejste jisti, ale doufáte, že se potvrdí? Něco, o čem se nemluví, ale co by vás zajímalo, zda je v silách laseru?

Jsou to některé aspekty třeba kvantové elektrodynamiky, které jsou v dosahu bádání našeho laseru a které pomocí něj bude prvně možno v laboratoři testovat. Samozřejmě co by nás jako taková třináctá komnata fyziky zajímalo, je dostat se nějakým způsobem do oblasti, v níž je možno zkoumat jevy, které souvisejí s gravitací i kvantovou teorií. Zatím nevíme jak, ale je to přání asi všech lidí, kteří mají nějakou tajnou tužbu. Jak řekl jeden kolega, nejzajímavější aplikaci, která z našeho centra vzejde, objevíme náhodou. Jak už to tak bývá. Čili to nejzajímavější, na co přijdeme, vám teď neřeknu.

K čemu všemu tedy lasery kromě zmíněného zdravotnictví v dohledné době budeme využívat?

V základním výzkumu. Lasery jsou nástroj, jak v laboratoři simulovat hmotu některých hvězdných těles nebo velkých planet, vnitřku velkých planet a hvězd a měřit jejich vlastnosti. Zpřesňovat je nebo přicházet na nové věci. Vždyť našich mezer v astrofyzice je hodně. Je to zkoumání struktury materiálů: protože lasery dokáží vytvářet enormně intenzivní záblesk rentgenového záření, díky čemuž lze získat momentky hmoty nebo některých stavů hmoty, které jinak není možné experimentálně zpřístupnit. Jak zjistíte, co se děje v leteckém motoru při vysokých otáčkách? Potřebujete kratičký záblesk z rentgenového záření, který současné rentgenky neumí vytvořit. To je jednoduchý a zřejmý příklad potenciálu laserového zařízení.

A potenciál laseru pro průmyslové aplikace?

Zejména jeden z oborů bude populární, a to zkoumání biomolekul, proteinů a chemických vazeb. Protože to jsou procesy, které trvají velmi krátké časy. A na to potřebujete nějaký nástroj, který je schopen poskytnout jejich momentku. Jako když ve fotbale chcete vyfotit útočníka, který hlavičkuje na bránu, a musíte zvolit velmi krátký čas závěrky a mít na to blesk.