MATERIÁLY PRO NOVÉ TISÍCILETÍ 03/2013. registrační číslo projektu CZ.1.07/2.3.00/

Transkript

1 MATERIÁLY PRO NOVÉ TISÍCILETÍ 03/2013 registrační číslo projektu CZ.1.07/2.3.00/ Kosmonautika jako splněný sen?! Letem termojaderným světem, část 3. POZOR, disrupce! Jak se upevňuje KRYOSTAT

2 ZAČÍNÁME Seznamte se s projektem Materiály pro nové tisíciletí Materiály pro nové tisíciletí jsou koncipovány jako projekt popularizace vědy a výzkumu. Projekt je zaměřen na 3 důležité oblasti, jejichž činnost je provázána na řadu dalších. Jedná se o: popularizaci v oblasti materiálového výzkumu (jakožto základního stavebního kamene dalších vědních a konstrukčních oborů); popularizaci v oblasti kosmu, astronomie a jevů ve vesmíru; popularizaci v oblasti řízené termojaderné fúze. V současné době právě v těchto odvětvích chybí celé dvě generace výzkumných pracovníků. Vysoké školy stále trpí nedostatkem schopných mladých vědců, kteří by neodcházeli do soukromé sféry či do zahraničí. Věříme, že vytvoření komplexních popularizačních materiálů spolu s informovaností žáků, studentů i jejich pedagogů povede ke zlepšení konkrétních kompetencí pracovníků a zajistí udržitelnost vědy a výzkumu i pro další generace. Realizovaný projekt je podpořen v rámci Operačního programu Vzdělávání pro konkurenceschopnost, konkrétně v oblasti podpory Lidské zdroje ve výzkumu a vývoji. Období realizace projektu je PARTNEŘI Asistenční centrum, a.s. Česká kosmická kancelář o.p.s. Ústav fyziky plazmatu AV ČR, v.v.i. CÍLOVÉ SKUPINY žáci základních a středních škol z 5 zapojených krajů (zájemci o vědecko- -výzkumnou práci); pedagogičtí pracovníci základních a středních škol (pracovníci v oblasti seznamování žáků s výzkumem a vývojem); studenti prvního stupně terciárního vzdělávání (bakalářského studia) v technických studijních oborech (zájemci o působení ve vědeckých oborech). HLAVNÍ AKTIVITY cykly přednášek; dny otevřených dveří u žadatele a partnerů; účast na výstavách, sympoziích a konferencích; vydávání publikací; semináře pro pedagogické pracovníky; natočení krátkých popularizačních fi lmů; celoroční kroužek pro žáky základních a středních škol; další vzdělávání v oblasti soft skills; interaktivní webové stránky. ŽADATEL PROJEKTU Vítkovice - výzkum a vývoj - technické aplikace a. s. 2 MAT 21

3 EDITORIAL Úvodní slovo k projektu Víte, že v COMPASSU objevili H-mód? Proboha a je to hodně nakažlivé? To je tak, když se nechají vědátoři pracovat bez dozoru! No snad se jim to podaří brzo zlikvidovat! ITER nebude vyrábět elektřinu! No vidíte a je to tady. Furt samej Temelín sem, Temelín tam a nejednou máme ITER bez elektřiny. Víte, kolik už za něj utratili miliard? Pak se divte, když vám přijde účet za elektriku. V Kobylisích mají plazma horké padesát miliónů stupňů! Furt si s něčím hrajou, a co až se ta plazma vyleje na ulici? První dvě otázky jsem si vymyslil a třetí vznesla obyvatelka Kobylis, když jsme v roce 2009 spustili tokamak COMPASSS. Bylo to krátce před Dny otevřených dveří, takže jsme měli docela (ne)vítanou reklamu. Nakonec vše dopadlo dobře. Na první dvě otázky odpoví toto číslo MAT21. Identifi kace H-modu na tokamaku COMPASS svědčí o dobré práci týmu. Je totiž známkou kvality plazmatu a znamená výrazně lepší udržení plazmatu než během standardního tak zvaného L-módu. ITER je mezinárodní tokamak, který staví šest států spolu s EU ve Francii. Proč nebude ITER vyrábět elektřinu a bude ji vyrábět až jeho následník DEMO, se dočtete v čísle MAT 21, které máte před sebou. V rámci projektu pokračují práce na čtvrtém vydání úspěšné knihy Řízená termojaderná fúze pro každého. Můžeme se těšit na tři nové kapitoly: Tokamaky a vesmír, Fúzní materiály a Nebojte se počítat. Díky novým kapitolám bude pochopitelně rozšířen Výkladový slovník a objeví se nesmírně potřebná novinka Rejstřík. Připravujeme výrobu stavebnice tokamaku. Stavebnice tokamaku nebyla dosud nikde na světě vyrobena! Žáci a studenti si budou moci ohmatat vybrané části tokamaku vlastníma rukama a díky stavebnicovému formátu rychle pochopí jejich úlohu v zařízení. Rádi bychom uspořádali Evropskou putovní výstavu Fusion Expo, a to v Ostravě. Fusion Expo navštívila Česko již třikrát a vždy se těšila značné pozornosti. Letos budou moci její exponáty obdivovat návštěvníci Týdne vědy a techniky v listopadu v Praze. Ostrava by zavedla nesmírně zajímavé představení poprvé na východ republiky do atraktivních prostor Gongu v Dolní oblasti Vítkovic. Úkolů nás čeká více než dost. Podaří-li se nám je splnit, budeme mít radost a adresáti užitek. Ing. Milan Řípa, CSc. Ústav fyziky plazmatu AV ČR, v.v.i. OBSAH Úvodní slovo k projektu DEMO PRAHA z vesmíru KOSMONAUTIKA jako splněný sen?! Letem termojaderným světem, část 3. H-MOD v Praze a v okolí Jak se upevňuje KRYOSTAT Zajímavosti z domova i ze světa Chytrý materiál zkoumaný astronauty může v budoucnu na Zemi zachraňovat životy Projektové akce POZOR, disrupce! Na slunci CMEs, v tokamaku ELMs KALENDÁŘ AKCÍ TANGRAM Materiály pro nové tisíciletí 03/2013 Datum vydání: Místo vydání: Ostrava - Poruba Vydavatel: Vítkovice - výzkum a vývoj - technické aplikace a. s., IČ , Ostrava, Poruba, Studentská 6202/17 Periodikum: čtvrtletník Náklad: 200 ks Evidenční číslo: MK ČR E Autor: kolektiv autorů Kontakty: info@materialy21.cz, Tento časopis vzniká s přispěním Evropského sociálního fondu a státního rozpočtu České republiky v rámci projektu Materiály pro nové tisíciletí (registrační číslo CZ.1.07/2.3.00/ ). MAT 21 3

4 TERMOJADERNÁ FÚZE DEMO Oficiální mantra tvrdí, že ITER je velké mezinárodní vědecké zařízení budované s cílem ověřit možnost komerční výroby energie pomocí termojaderné fúze. Definice navozuje představu, že ITER bude vyrábět elektřinu. Není to pravda, ITER žádnou elektřinu vyrábět nebude. Výroba elektřiny z fúze atomových jader je úkolem posledního kroku mezi tokamakem ITER a komerční fúzní elektrárnou. Tento mezistupeň se nazývá DEMO demonstrační elektrárna. Jedná se o prototyp elektrárny s technologiemi, které zajistí plánovaný výkon, spolehlivost a účinnost požadované od průmyslové výroby elektřiny. Koncepční návrhy by měly být hotovy v roce Pokud vše půjde hladce, měl by DEMO pootevřít fúzi dveře průmyslové éry na počátku třicá- tých let a do sítě dodat první fúzní kilowaty na počátku let čtyřicátých. Jsou to všechno orientační čísla. Pevný časový program stanoven není, stejně tak chybí rozdělení na etapy a rozpočet. Nyní prosím pozor! To, co si dále přečtete, svědčí přinejmenším o dvou věcech: ITER ani v pokročilém stadiu stavby a přes všechny problémy neztratil důvěru ani odborníků, DEMO dodává elektřinu do sítě. Zdroj: MAT 21

5 TERMOJADERNÁ FÚZE Schéma tokamaku fúzní elektrárny DEMO. Schéma použito s laskavým svolením ITER. Zdroj: Stories/Attachments/1493/nuclear900.jpg Cesta ke komerční fúzní elektrárně. Schéma použito s laskavým svolením ITER. Zdroj: Stories/Attachments/1491/roadmap-illustration_yellow.jpg ani zákonodárců! To zaprvé! Za druhé existují země, kterým hoří energetická koudel za zády. Pro tyto země, je spolehlivý zdroj energie otázkou života a smrti. Suma sumárum tyto země, konkrétně Jižní Korea, Čína a Evropa, uvažují o stavbě vlastního DEMO, vlastní demonstrační fúzní elektrárny! Pravdou je, že Evropa se zapojila do projektu vlastního DEMO z jiných důvodů, než asijské země. Jižní Korea dováží 90 % energie a již začala na konceptu tak zvaného K-Demo pracovat, stejně tak Čína. Podle Kijunga Junga (ředitel Domestic Agency - ITER South Korea) bude koncept dokončen v roce Ačkoli nejsou k dispozici potřebná jaderná data, už nyní se mluví o dvou etapách. V první, trvající od 2037 do 2050, se vyzkouší komponenty uvnitř vakuové komory a většina z nich bude pro druhou etapu vyměněna. Tak, aby ve druhé etapě mohlo K-Demo fungovat nepřetržitě a při tom vyrábět elektřinu. Ačkoli dnes jsou známy tři materiály pro první stěnu, respektive pro PFC (Plasma Facing Components), a to jsou berylium, wolfram a uhlíkový kompozit, K-Demo předpokládá otázku materiálů za otevřenou. EFDA nedávno vydalo publikaci A Roadmap to the realisation of fusion energy Plán cesty k fúzní energii (rozumí se k fúzní elektrárně). Nechce-li Evropa ztratit světové prvenství ve výzkumu fúze, které získala kvalitními výsledky na největším tokamaku světa na tokamaku JET a potvrdila přidělením stavby mezinárodního tokamaku ITER, pak nesmí usnout na vavřínech. Musí s Koreou a Čínou držet krok. Musí uvažovat o stavbě vlastního DEMO. Stavba tokamaku ITER ve Francii poskytuje Evropě z hlediska stavby DEMO velkou výhodu. DEMO v mnoha ohledech bude extrapolací ITER. Přece jen Evropa má k novým technologiím, vědecko-technickým poznatkům díky ITER na její půdě blíže než její partneři. Japonci velmi dobře věděli, proč o stavbu ITER usilovali doslova do poslední chvíle. Finančně Evropa přispívá 45 % nákladů, ale přes 60 % zaměstnanců ITER organization pochází ze starého kontinentu. Z Evropy pochází množství vysoce odborných pracovníků, vedoucích sekcí nebo dokonce divizí. Z Evropy přichází mnohem více nabídek, než z jiných částí světa, jistě také proto, že do Francie je blíže z Belgie než z Thajska. V každém případě již dnes Evropa mluví o nezbytnosti vylepšení supravodivých magnetů, dálkového ovládání různých komponent, o inovaci palivového a čerpacího systému. Kromě jiného tyto potřeby vyplývají z většího objemu plazmatu a silnějšího toku fúzních neutronů, než bude mít ITER. Evropské DEMO by mělo zásobovat síť výkonem několika stovek megawattů, mělo by plodit množství tritia dostatečné pro uzavřený palivový cyklus. To vše podle následujícího časového programu s cílem první elektřiny v síti do roku Se zahájením stavby se počítá na počátku třicátých let okamžitě po dosažení čistého fúzního výkonu na tokamaku ITER, to je dosažení koefi cientu zesílení Q > 1. Toto předpokládá začátek inženýrských návrhových prací kolem roku Kolem roku 2030 by Evropa měla vědět, zda má všechny znalosti potřebné pro stavbu DEMO. O evropském spěchu svědčí teze o upřednostnění pragmatického přístupu před ultimativním řešením. Přeloženo do češtiny: Nebudeme hledat nejlepší řešení, ale fungující řešení. Ovšem stejně jako u všech velkých vědeckých projektů, úspěch DEMO závisí na správné volbě rovnováhy mezi pragmatismem a inovací. Milan Řípa Zdroj: volně podle ITER newsline MAT 21 5

6 SVĚTELNÉ ZNEČIŠTĚNÍ Noční Praha. Zdroj: NASA, Kevin Ford, PRAHA z vesmíru Tma začíná být ohroženým druhem. V některých místech naší Země se noc vytrácí velmi nápadně, někde velmi nenápadně, zato vytrvale a někde stále ještě najdeme místa s přirozenou tmou neovlivněnou umělým osvětlováním lidí. Míst, kde ale dnes už není možné pozorovat noční oblohu v její plné kráse, rapidně přibývá. Může za to světelné znečištění. Chceme ztratit krásu vesmíru, která je součástí lidské civilizace od jejího počátku? Zdroj: Tiskové prohlášení České astronomické společnosti číslo 181 z Nádherný obrázek noční Prahy z výšky téměř 400 km nám poslal koncem ledna velitel Mezinárodní kosmické stanice ISS, americký astronaut Kevin Ford. Orbitální stanice velká zhruba jako fotbalové hřiště, obydlená celkem šesti astronauty (v té době to byli tři Rusové, dva Američané a jeden Kanaďan) létá nad našimi hlavami rychlostí téměř kilometrů za hodinu (zhruba 8 kilometrů za sekundu) a Zemi obletí za 90 minut (tedy za jeden pozemský den celkem 16x). Je ale ten obrázek opravdu nádherný? Z čistě estetického pohledu jistě ano! Krásný pohled na Prahu, hezky viditelný tok Vltavy, výrazně osvětlené hlavní silniční tepny a některé průmyslové a technologické aglomerace. A hlavně, je to asi první snímek noční Prahy, který máme takto k dispozici! Pro astronomy, ptáky, hmyz, ochránce přírody a některé další skupiny to ale není veselý snímek. Ukazuje totiž jak veliké množství světla je v Praze (ale nejenom v Praze!!!) zbytečně vysvíceno a jak je město, které by mělo v noci spát a odpočívat (snímek vznikl přibližně ve 2 hodiny v noci během přeletu ISS nad Prahou) přesvíceno v některých místech až do téměř denní záře. Zjednodušeně řečeno vše co na obrázku vidíte jako bílé světlo, je špatně!!! Všechny bílé body (a část i těch ostatních žlutých) jsou silné světelné zdroje, které nesvítí dolů, na zem, jak by to bylo vhodné a potřebné, ale svítící anebo odrážející velké množství svého světla nahoru a způsobující tak světelný smog nad Prahou a v jejím širokém okolí. Ke světelnému znečistění, při kterém se špatně spí nejenom lidem, ale třeba i ptákům, při kterém ztrácí orientaci a hyne i veliké množství užitečného nočního hmyzu a umírají stromy, přispívají samozřejmě i další silné světelné zdroje na snímku, jejichž světlo se Snímek Prahy za dne. Zdroj: NASA GSFC Landsat, LDCM EPO Team, odráží nahoru od jimi osvětlených ploch, a je viditelné až z vesmíru. Na fotografi i můžete vidět, kromě vlastní Prahy, například i Kladno (úplně vlevo nahoře) nebo Letiště Václava Havla (výrazně bíle osvětlená plocha na levém horním okraji Prahy), či nesmyslně přesvícený Logistický park v Jirném na dálnici D11 (na okraji Prahy vpravo uprostřed). Dalšími výrazně nasvícenými místy (ve dvě hodiny v noci!) jsou i nákupní centra, jejich reklamy, parkoviště a okolí na okraji nebo i uvnitř Prahy zkuste najít centra Černý most, Chodov, Šterboholy, Letňany nebo Zličín. Pro porovnání s nočním snímkem zveřejňujeme i denní pohled na Prahu, tak jak jí vyfotografovala americká družice Landsat v roce 2002 z výšky 700 km. Nesviťte zbytečně! V Praze ani nikde jinde! Milan Halousek 6 MAT 21

7 CHYŤ SVŮJ SEN! KOSMONAUTIKA jako splněný sen?! Zavíráme oči, všude tma, prázdno a nekonečně krásný vesmír. To, co je pro piloty nebe, pro potápěče moře, pro horolezce výstup na bájný vrchol, je pro astronauty vesmír. Magický svět, do něhož potřebujete klíčovou vstupní kombinaci, kterou nelze vyčíst ani v knize knih. Vesmír pro mnohé sen, pro vyvolené skutečnou realitou, kterou zažilo jen pár výjimečných. Jurij Gagarin, John Glenn, Edwin Adrin, Edgar Mitchell, Neil Armstrong, ale i třeba československý kosmonaut Vladimír Remek. Ten se stal sice 87. kosmonautem světa, ale prvním z jiné země než Ameriky nebo tehdejšího Sovětského svazu. Vladimír Remek je tak považován za prvního Evropana ve vesmíru. Stalo se tak 2. března 1978 a od té doby Česko na dalšího astronauta čeká. Jistou výjimku znamenali astronauti s kořeny sahající až do středu Evropy, tedy do České republiky. Jedním z nich byl James Lowell, který byl vybrán do Apolla 8, později také do smolné třináctky. Dalšími v pořadí byli Eugene Cernan, který byl zároveň posledním mužem na Měsíci, John Blaha, Andrew Feustel (jehož spojují s Českem kořeny jeho manželky) a v neposlední řadě také slovenský kosmonaut narozený na území bývalého Československa Ivan Bella. Ale kdo bude další? A jak změnit sen v realitu? Inspiraci bychom mohli najít u původních obyvatel amerického kontinentu, tedy u Indiánů, kteří používali jeden velmi zajímavý předmět. Říkali mu lapač snů a sloužil k odhánění zlých a zachycovaní dobrých snů. Podobný, avšak modernizovaný lapač, existuje i ve 21. století a dokáže mnohdy nemožné, splnit sen. Jmenuje se Dream- Catcher a je určen všem mladým lidem od 11 do 21 let. Projekt naleznete na stránkách a naučí vás, jak se pohybovat v reálném světě, jak pracovat v týmu, poznat hodnotu peněz, a to vše za jedním účelem splnění vašeho snu! Stačí jen si s minimálně třemi kamarády zaregistrovat sen na uvedených stránkách, projít úspěšně hlasováním a pak si část snu symbolicky odpracovat. Potom už ve splnění snu nebrání takřka nic. Důkazem fungování projektu DreamCatcher je již přes 120 splněných snů, mezi kterými můžeme například jmenovat vybavení školní redakce a počítačové učebny, výlet po Evropě, účast pěveckého sboru v Kanadě, kurz angličtiny, kurz znakové řeči a v neposlední řadě cesta na konferenci NASA v San Diegu. Sen, díky kterému se opět vracíme na začátek. Je tedy reálné, aby vám projekt DreamCatcher splnil cestu do vesmíru? Řekněme je i není! Adam Kebrt (DreamCatcher) Fotografi e účastníků splněných snů. Zdroj: Cesta na konferenci NASA do San Diega Aneta, Michaela, Jakub a Aleš jsou čtyři mladí žáci z České republiky, kteří se potkali během plnění úkolů v projektu EXPEDICE MARS ( eu) a kteří se s podporou České kosmické kanceláře o.p.s. rozhodli zapojit do velkého celosvětového projektu organizovaného Americkým úřadem pro letectví a kosmonautiku NASA a navrhnout technické a výtvarné řešení nové veliké vesmírné základny budoucnosti. Počátkem března 2013 odeslali svůj projekt organizátorům soutěže a nyní se již těší na setkání s ostatními soutěžními týmy na velké studentské vědecké konferenci organizované NASA a věnované rozvoji vesmírných technologií, která se koná v květnu v americkém San Diegu. Finanční prostředky na svoji cestu snů získali právě z projektu DreamCatcher, když se jim podařilo zvítězit ve svém kole soutěže a příslušnou část nákladů si potom odpracovat především přednáškami o kosmonautice a astronomii. O jejich cestě za snem přineseme informaci v příštím čísle našeho časopisu MAT21. Milan Halousek MAT 21 7

8 TERMOJADERNÁ FÚZE Letem termojaderným světem, část 3. Neúspěšnější jsou tokamaky. Největší z nich, mezinárodní tokamak ITER, vyrůstá v jižní Francii a bude prvním fúzním zařízením s kladným energetickým ziskem. Vyprodukuje větší výkon, než bude jeho příkon. Pak ještě DEMO demonstrační reaktor, vyrábějící elektřinu a můžeme se těšit na fúzní elektřinu v zásuvkách. Nu, tak jednoduché to asi nebude, ale perspektiva fúzní elektrárny coby člena energetického mixu je reálná. A co ostatní zařízení? Co jiné směry než magnetické udržení? Poslední dvě pokračování tohoto článku jsou věnována právě těmto otázkám! V současné době funguje na světě kolem stovky tokamaků nejrůznějšího určení, z nichž nejdůležitější desítku vlastní Německo, Francie, USA, Japonsko, Čína, Jižní Korea a Rusko. Česko bylo jedinou z deseti zemí přistupujících v roce 2004 do EU, která měla tokamak. Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská ČVUT v Praze je snad jediná universita na světě, která pro studenty provozuje jak štěpení atomových jader (reaktor Vrabec), tak i slučování (tokamak GOLEM). Ústav fyziky plazmatu AV ČR, v.v.i. má moderní tokamak COMPASS. Výjimečné postavení zaujímá na světě největší tokamak JET, který Evropská unie provozuje v anglickém Culhamu poblíž Oxfordu. Američané svým TFTR jednou vystřelili v roce 1992 a vzápětí ho rozmontovali. JET je tak jediným tokamakem schopným pracovat se směsí deuteria a tritia. V roce 1997 uvolnil 16 MW fúzní energie, což představovalo 65 % příkonu. Růst velikosti tokamaků není rozmar výzkumníků, nýbrž se tak zvětšuje doba udržení energie potřebná pro úspěšné fungování fúze. Všechny tokamaky svůj program podřizují rodícímu se mezinárodnímu projektu tokamaku ITER. Evropská unie a dalších šest států Rusko, USA, Čína, Japonsko, Jižní Korea a Indie staví dvakrát větší tokamak než JET ve francouzském Cadarache, sto kilometrů severně od Marseille. ITER poprvé uvolní více fúzní energie, než bude jeho příkon, a to desetkrát. Poprvé je u tokamaku kladen větší důraz na výzkum technologie, než na studium fyziky. ITER bude mít největší objem čerpaný na technické vakuum a největší supravodivý magnet na světě. Gradient teploty, kdy na několika málo metrech stoupne teplota od absolutní nuly ke 200 miliónům stupňů, se také hned tak nevidí. Bude-li ITER úspěšný, pak se dokončí stavba demonstračního reaktoru DEMO, který bude vyrábět elektřinu a částečně prověří ekonomii fúzního reaktoru. Pokud ani DEMO se nesetká s principálními problémy, bude následovat stavba komerční fúzní elektrárny. Kdy? Začátkem druhé poloviny tohoto století? Všimněte si prosím podmiňovacího pokud! Nikdo dnes nedokáže s jistotou říci, že tokamak bude úspěšný natolik, že se stane základem pro fúzní elektrárnu. Co se stane, když se v tokamaku zklameme? Existuje nějaká další možnost jak zachránit pro společnost termojadernou fúzí? Samotná kategorie magnetických nádob, do které patří tokamak, má dalšího kandidáta. O stelarátoru jsme již hovořili minule. Největší z nich stelarátor Wendellstein WX-7 je zhruba na úrovni tokamaku JET osmdesátých let minulého století. Obrovské fi nanční prostředky spotřebovává inerciální fúze, kde mikrovýbuchy termojaderného paliva iniciují mohutné lasery. Jedná se o alternativní přístup magnetickému udržení. Nedávno 192 laserových svazku vystřelilo energii větší, než 2 megajouly v Lawrencově národní laboratoři v Livermoru. NIF (Národní zapalovací zařízení) je pochopitelně držitelem světového rekordu svazkové zařízení dokončuje Francie nedaleko Bordeaux. Pozadu nezůstává kolébka laserové fúze Rusko, které připravuje projekt 2,8 megajoulového laseru. Tato zařízení mají o fi nance postaráno, neboť mají vojenské využití. Milan Řípa Tokamak GOLEM byl řízen i z ovládací místnosti francouzského tokamaku TORE SUPRA. Fotografi e použita s laskavým svolením ITER. Zdroj: Stories/Attachments/1087/dsc_4070.jpg 8 MAT 21

9 H-MOD V PRAZE A V OKOLÍ Fritz Wagner obdržel v roce 2009 od Německé fyzikální společnosti Stern-Garlachovu medaili za práci v oblasti fyziky vysokých teplot a výzkum fúze (zde v IPP Maxe Plancka). Fotografi e použita s laskavým svolením ITER. Zdroj: img/86/wagner.jpg._1024.jpg Provoz fúzního experimentálního zařízení má přinejmenším dva kritické okamžiky - první plazma a H-mod. První milník je jasný. Po smontování každý čeká, zda je dobré vakuum, zda všechny zdroje fungují a spolehlivým testem všeho je zapálení prvního plazmatu. U prvního plazmatu se až tak nesleduje jeho kvalita, důležitá je jeho existence. Kvalita a schopnost obsluhy plazma ovládat je oznámkovaná dosažením H-modu. H jako HIGH je anglicky vysoký, či spíše vysoká úroveň udržení energie v plazmatu. Když doma otevřete v zimě okno, můžete topit, jak chcete a teplo vám nebude. Stejně je to v plazmatu, třeba v zařízení zvaném tokamak. Tam těch oken je celá řada a další se otevřelo, když se uvedly s velkou slávou tak zvané dodatečné způsoby ohřevu plazmatu, a to pomocí mikrovln a vstřikem vysokoenergetických neutrálních částic. Teplota plazmatu rostla nepatrně, pokud vůbec. Únik energie se oproti dřívějšku zvýšil a dosáhnout termojaderných teplot se zdálo zcela nereálné. Až jednou v Německu února 1982 na tokamaku ASDEX v Ústavu fyziky plazmatu Maxe Plancka v Garchingu u Mnichova po intenzivním ohřevu svazkem neutrálních částic zjistil Fritz Wagner naprosto neočekávaný nárůst doby udržení energie. Turbulence na okraji plazmatu odpovědná za otevřené okno byla ta tam a udržení energie stouplo dvakrát. Pesimismus rychle nahradil optimismus, zejména když se záhy podařilo instalovat režim plazmatu nazvaný H-mod na dalších tokamacích. H-modem se pochlubily americké stroje PDX, DIII-D, největší tokamak na světě evropský JET a v roce 1983 dokonce německý stelarátor W7-AS. Prvním celosupravodivým tokamakem, který objevení H-modu ohlásil, byl 8. listopadu 2010 korejský KSTAR a brzy po něm jeho starší kolega, čínský tokamak EAST. Faktem je, že uspokojivá teorie popisující vznik H-modu neexistuje, a přesto jsou známy postupy, jak H-modu při vhodné kombinaci ohřevu a zásobování palivem dosáhnout. Tokamak musí mít divertor, což je zvláštní konfi gurace magnetického pole, většinou ve spodní části vakuové komory, která se vyznačuje existencí sepatrix. Sepatrix je posledním uzavřeným magnetickým povrchem, který se nikde nedotýká stěn vakuové komory a vně separatrixy magnetické povrchy končí na terčích divertoru. Stejně jako nečistoty a spaliny, které na terče vyvádí právě neuzavřené siločáry magnetického pole. Když jsem řekl A musím říci B. Když je režim vysokého udržení, musí být i režim nízkého udržení. L-mod je název pro standardní udržovací režim (L jako LOW = nízký). Další velké B se objevilo okamžitě po identifi kaci H-modu. Když zavřete okno a nepřestanete topit, brzy vám bude horko k nevydržení a nejraději byste vybourali otvor do MAT 21 9

10 OHLÉDNUTÍ Jádro týmu, který stojí za (a na fotografi i vlastně také před) úspěšným zvládnutím H- -modu na tokamaku COMPASS v Ústavu fyziky plazmatu AV ČR, v.v.i. Zleva: Filip Janky (řídicí systémy tokamaku), Radomír Pánek (vedoucí Oddělení tokamak), Jan Stöckel (senior fyzik), Vladimír Weinzettl (diagnostika plazmatu), Jozef Varju (svazek neutrálních částic) a Josef Havlíček (operátor tokamaku). Zdroj: ÚFP AV ČR stěny. Stejně tak plazmatu. Nadbytečná energie hledá cestu, kudy uniknout a zcela náhodně jak co do času, tak místa prorazí transportní bariéru a ve formě záření a částic, ne nepodobna sluneční erupci, opustí plazma. Výron energie skončí na stěně vakuové komory a podle jejího množství je zasažené místo více či méně poškozeno. Tyto projevy nespokojeného plazmatu dostaly název nestability okrajového plazmatu anglicky Edge Localized Modes a ještě jinak, zkráceně ELMs. Studium ELMs s cílem jejich minimalizace, či ještě lépe úplného potlačení se zabývá, kromě jiného, skupina vědců na tokamaku COMPASS v Ústavu fyziky plazmatu AV ČR, v.v.i. Právě od nich pochází následující zpráva ze čtvrtka 28. listopadu 2012: Plazma bylo nastaveno do divertorové konfi gurace ne nepodobné tvarům plazmatu na tokamaku JET a budoucího tokamaku ITER. 10 milisekund bylo plazma přihříváno svazkem energetických neutrálních částic o výkonu 210 kilowat, když tu náhle pokleslo viditelné světlo D α, plazma počalo akumulovat energii a jeho hustota vzrostla. Druhý den se podařilo H- -modu dosáhnout při čistě ohmickém ohřevu, později dokonce bez nestabilit ELMs. Úspěch českých vědců je o to cennější, že byl dosažen na tvaru plazmatu podobném plazmatu tokamaku JET a plazmatu, které bude mít mezinárodní tokamak ITER. Rýsuje se tedy dlouhodobý cíl tokamaku COMPASS svými experimenty podporovat velká fúzní zařízení. Dosažení H-modu na tokamaku COMPASS je logickým vyústěním dlouhole- tých zkušeností českých plazmatiků s výzkumem okrajového plazmatu, který v minulém století probíhal na malém tokamaku CASTOR (Ústav fyziky plazmatu AV ČR, v.v.i. v Praze) dnes GOLEM (Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská ČVUT v Praze) dříve TM-1 VČ (Kurčatovův ústav pro atomovou energii v Moskvě). To vše jsou různé názvy jednoho a téhož zařízení. Tož díky pane Wagnere! Milan Řípa Zdroj: volně podle ITER. newsline MAT 21

11 TERMOJADERNÁ FÚZE Jak se upevňuje KRYOSTAT Ukotvit největší vakuovou nádobu na světě není jen tak. Poslechněte si, jak to dělají ve Francii, kde se staví mezinárodní tokamak ITER. Co kdybychom spodní cívky poloidálního pole spojily s cívkami toroidálního pole? přemýšlí nahlas pan Zelníček, jehož fi rma PROMODEL vyrábí stavebnici ku pro studenty, světové premiéry originálního nápadu. Pane Zelníček, vy jste genius, povídám udiveně. Ve tokama- skutečnosti bude mít mezinárodní kamak ITER cívky číslo pět a šest ne- torozebíratelně spojeny právě s cívkami toroidálního pole! Zabýváme se kolizním modelová- ním, protože ani 3D malůvky nemusí vyhovět zákonu o neprostupnosti hmoty. Stalo se nám, že jsme podle nákresu vyrobili model zařízení a ukázalo se, že se jeho potrubí trubky o průměru metr kříží ve stejném místě!, pokračoval pan Zelníček. Nedávno se podobná věc přihodila při návrhu upevnění ní kryostatu tokamaku ITER. První verze počítala s 18 ocelovými sloupy, což je standardní způsob používaný od dověku. Pokud naši předkové tak chránili ve 13. století před zborce- střením chrám Notre Dame v Paříži, zde bylo třeba upevnit tokamak ( tun) a jeho kryostat do betonové základové desky Komplexu tokamaku. ku. Kontrola počítačovou simulací ukázala, že řešení pomocí 18 kovových sloupů nemusí být bezpečné. Nestability plazmatu typu vertical displacement mohou sloupy poškodit. Co teď? Naštěstí kolem kryostatu je biologické stínění, což je betonový válec o tloušťce tři metry. Nové řešení vyměnilo ocelové sloupy za betonový prstenec pod kryostatem, který by zhruba po 20 stupních byl upevněn betonovými bloky ke stínícímu válci. Světle tyrkysová je betonová koruna, která je kvádry spojena se šedohnědým válcem biologického stínění. Schéma použito s laskavým svolením ITER. Zdroj: /Stories/Attachments/1419/crown_small.jpg A nyní pozor pointa! Každá změna je, podle Murphyho, změnou k horšímu. Tak zlé to nebude, nicméně se ukázalo, že jedna betonová spojka koruny kryostatu a stínění překáží přívodu cívky poloidálního pole číslo čtyři. Nahradit desku úzkými tyčemi by narušilo symetrii spojnic a singularita by se nemusela vyplatit. Přemýšlení se vyplatilo a nové řešení symetrii spojení kryostatu a bio-stínění se našlo! Kryostat klouže po betonové koru- ně na osmnácti kulových ložiskách, stejně jako těžké mosty na pilířích, což v tomto případě eliminuje možné pnutí v důsledku horizontálních a ro- tačních sil. Všechny jmenované komponenty musí odolat záření a nízké teplotě až do -100 C, neboť se nacházejí v blízkosti kryostatu. Mimochodem, kryostat je velká termoska, ve které je schován celý tokamak. Na rozdíl od termosky s čajem, která se snaží uchovat čaj horký, kryostat brání úniku zimy. Tokamak totiž pracuje se supravodivými cívkami vychlazenými na 269 C. Stejně jako u běžné termosky je v kryosta- tu izolačním mediem prázdno- ta, až na to, že evakuovaný pro- stor kryostatu ITER představuje největší, na technické vakuum 1x10-4 Pa, vyčerpaný objem m 3. Jakmile změnu odsouhlasí fran- couzská ASN, bude pokračovat betonování 1,5 metru tlusté základové desky Komplexu tokamak, což je reaktor, diagnostika a tritiové hospodářství. Milan Řípa MAT 21 11

12 POZORUHODNÉ NOVINKY Zajímavosti z domova i ze světa ZDROJ: pokusy jsou čerpány z publikace SENĆANSKI, Tomislav. Malý vědec: experimenty, které můžete provádět i doma. Vyd. 1. Ilustrace Miroljub Brada Milutinović. Brno: Computer Press, 2006, 62 s. Dětská naučná edice. ISBN MAT 21 ÍRÁN ZNOVU VYSLAL DO VESMÍRU OPICI. PRÝ PŘEŽILA Írán opět vyslal do vesmíru opici a tentokrát prý úspěšně. Je to další krok v dlouhodobém programu, který má umožnit vyslat tomuto státu vlastními silami do vesmíru člověka. Zodpovědní íránští představitelé předpokládají, že se to podaří do pěti až osmi let. Více čtěte zde: idnes.cz/iran-ma-ve-vesmiru-opici-0we-/tec_vesmir. aspx?c=a130128_141716_tec_ vesmir_vse KAŽDOU ŠESTOU HVĚZDU OBÍHÁ PLA- NETA PODOBNÁ ZEMI Teleskop Kepler opět významně poupravil lidskou představu o okolním vesmíru. Poslední údaje z této americké sondy totiž naznačují, že každou šestou hvězdu naší galaxie obíhá minimálně jedna planeta velikosti odpovídající Zemi. To znamená, že Mléčná dráha hostí na 17 miliard exoplanet srovnatelné velikosti. Více čtěte zde: phtml?id= TELEFON BEZ ELEKTŘINY ŠÍŘENÍ ZVUKU Pomůcky: 2 prázdné kelímky od jogurtu, špendlík, dlouhý kus drátu; Průběh: špendlíkem vytvořte na dně obou kelímků malý otvor, kterým protáhněte drátek a na koncích udělejte uzlík; napněte drátek a s kamarádem si každý přiložte k uchu jeden kelímek (jeden by měl zkusit mluvit do kelímku podobně jako do mikrofonu, zatímco druhý by měl poslouchat); Výsledek: v kelímku jasně uslyšíte hlas, jelikož drát přenáší zvukové vlnění z jednoho konce na druhý. V LIBERCI OTEVŘELI OBŘÍ VÝZKUMNÝ ÚSTAV. SPOLKNUL SKORO MILIARDU KO- RUN Liberec má nové výzkumné centrum, které se zabývá vývojem všemožných strojů pro průmysl. Ojedinělý obří projekt vyšel na více než 738 milionů korun. Centrum je svou velikostí, zaměřením i vybavením unikátní nejen na české, ale i na mezinárodní úrovni, pyšní se Miroslav Václavík, ředitel Výzkumného ústavu textilních strojů, jehož součástí nové centrum je. Více čtěte zde: cz/v-liberci-otevreli-vyzkumne- -centrum-za-stamiliony-f8l-/domaci. aspx?c=a130215_141425_liberec-zpravy_tm NEVIDITELNÝ DOPIS REAKCE NA TEPLOTU Pomůcky: zubní párátko, ocet nebo citrónová šťáva, papír, svíčka, zápalky; Průběh: párátko rozlomte na poloviny a silnější část použijte jako psací pero; kousek párátka namočte do octa nebo citrónové šťávy a napište jím na papír zprávu, počkejte, dokud text neuschne; zapalte svíčku a opatrně nad ní podržte papír s textem; Výsledek: jakmile text uschne, písmo se vytratí, zahřátí papíru ale způsobí, že se neviditelný text znovu objeví, jelikož namočené části reagují s kyslíkem při nižší teplotě, než nepopsaný zbytek papíru; díky tomu písmo ztmavne a stane se znovu viditelným.

13 HOKUSY POKUSY SOUTĚŽ O MILIARDU EUR VYHRÁL POČÍ- TAČ Z UHLÍKU A SIMULÁTOR MOZKU Na veřejnost se dostala informace o vítězích evropské soutěže o velké vědecké granty s celkovou dotací až miliardy eur, tedy v přepočtu přes 25 miliard korun. Zvítězil počítač z uhlíku a počítačový simulátor lidského mozku. Vítězi soutěže o ojediněle velké prostředky, kterou vypsala Evropská komise, se stal projekt na využití grafenu, nové formy uhlíku s mimořádnými vlastnostmi, a pokus o simulaci lidského mozku v počítači. Více čtěte zde: aspx?c=a130124_115732_veda_mla JAK ODDĚLIT PEPŘ A SŮL? Pomůcky: pepř, hrubozrnná sůl, plastiková lžíce, vlněná látka; Průběh: nasypte na stůl trochu soli a pepře; vlněnou látkou třete plastikovou lžíci a poté lžíci podržte nad směsí soli a pepře; Výsledek: pepř vyskočí a přilepí se na lžíci, jelikož třením plastikové lžíce na ní vytvoříme elektrický náboj, který začne přitahovat částečky na stole (když budeme držet lžíci dostatečně vysoko, bude přitažlivá síla slabá a přitáhne pouze lehké částečky pepře; když klesneme níž, začne přitahovat také sůl). PAPÍR, KTERÝ UDRŽÍ PRAVÍTKO NA STOLE TLAK VZDUCHU Pomůcky: pravítko, velký list papíru, látka, stůl; Průběh: na stůl položte pravítko tak, aby 1/3 přesahovala okraj stolu a část pravítka ležící na stole přikryjte listem papíru; pomocí měkké látky vytlačte veškerý vzduch, který zůstal mezi stolem a papírem; Výsledek: papír zabrání pravítku, aby se odlepilo od stolu, jelikož tlak vzduchu působící směrem dolů drží pravítko pevně na stole; v případě, že použijete tenkou dřevěnou tyčinku místo pravítka, zlomí se, aniž by se papír nadzvedl. VRTULKA POHÁNĚNÁ TOPENÍM POHYB VZDUCHU Pomůcky: tvrdý papír, pravítko, tužka, nůžky, kružítko, korková zátka, špendlík; Průběh: narýsujte na papír kružnici o poloměru 5 cm, uprostřed vytvořte ještě další, o něco menší kružnici; mezi těmito kruhy narýsujte cca rovných čar a kruh vystřihněte a podél nakreslených čar nastřihněte směrem k menší kružnici (tyto nastřižené okraje ohněte ve stejném směru); upevněte tupý konec špendlíku do korkové zátky a na ostrý konec připevněte vytvořený kruh a vrtulku položte blízko zdroje tepla (např. na radiátor); Výsledek: vrtulka se začne otáčet, jelikož ohřátý vzduch stoupá vzhůru, naráží do listů vrtule a otáčí jimi (čím je vzduch teplejší, tím rychleji vrtulí otáčí); místo kruhu můžete vystřihnout spirálu. OBROVSKÁ BOUŘE NA SATURNU ZNIČILA SAMA SEBE. ZAKOUSLA SE DO VLASTNÍHO OCASU Masivní bouře se stala obětí vlastního úspěchu byla příliš velká, až pohltila sama sebe. Tzv. Velká jarní bouře byla tak velká (trvala neuvěřitelných 267 dní v letech 2010 až 2011), že obešla celou severní polokouli a její začátek (neboli hlava) se potkal s koncem (neboli ocasem). Více čtěte zde: national-geographic.cz/detail/ obrovska-boure-na-saturnu-znicila- -sama-sebe-zakousla-se-do-vlastniho-ocasu-38491/ V přehledu zajímavostí jsou použity doslovné citace s odkazy na zdrojové články. MAT 21 13

14 InSPACE-3 Chytrý materiál zkoumaný astronauty může v budoucnu na Zemi zachraňovat životy V minulém čísle periodika MAT21 jsme se zabývali energetickým systémem Mezinárodní kosmické stanice ISS, dnes pro změnu přeskočíme ze systémů stanice na vědu, kterou na její palubě provádí mezinárodní posádka a že to není ledajaká věda! Dokážete si představit látku, která na povel změní své fyzikální vlastnosti a zabrání například pádu budovy při zemětřesení? A právě s takovouto emulzí na palubě stanice kosmonauti pracují a připravují její široké využití v průmyslu. Na stanici ISS, která má rozlohu fotbalového hřiště s hmotností přes 400 tun, probíhá více než stovka vědeckých experimentů a pozorování (současná 34. dlouhodobá posádka jich má v hledáčku kolem 170), jež primárně studují budoucí expanzi lidstva do kosmu, najdeme zde ale i spoustu věcí medicínských, technologických, studování Země atd. Posádka hledá lék na rakovinu, vyvíjí nové technologie pro zlepšení života na Zemi nebo třeba sleduje pohyb hurikánů. Věda na stanici má pro obyvatele naší planety mnohem větší smysl, než se většině lidí může zdát. Z těch skoro dvou set vědeckých hraček si dnes vybereme experiment s názvem InSPA- CE-3, jehož půvabná zkratka ukrývá již méně půvabný název Investigating the Structures of Paramagnetic Aggregates from Colloidal Emulsions 3. Někteří ze čtenářů se možná právě pleskli po čele se slovy že mě to nenapadlo samotného, pro ostatní malý slovníček: Zkoumání struktur paramagnetických (typ magnetismu, jež se projevuje pouze za přítomnosti vnějšího magnetického pole) agregátů z koloidních (extra malé částice o rozměrech mezi 5 a nanometry) emulzí. Anebo raději začneme od začátku. Experiment má za cíl studovat v prostředí s beztížným stavem kapaliny, označované zkratkou MR (z anglického slova Magnetorheological), řadíme je mezi tzv. chytré materiály a mají sklony na základě vnějších vlivů měnit svůj tvar a fyzikální vlastnosti. Když je vystavíme magnetickému poli, mohou se rychle přetransformovat na téměř pevné skupenství a po zániku magnetického pole se vrací do kapalného stavu (pro zjednodušení si představme želatinu). Tajemství úspěchu těchto kapalin spočívá v obsahu Na snímku jsou krásně patrné tmavé řetězce magnetických částic v kapalině prosvícené zelenou LED lampou kvůli snímkování. velkého množství mikroskopických magnetických částic. Na počátku stvoří částice v kapalině dlouhé, tenké řetězce, vysvětluje podstatu experimentu jeho hlavní vědec zde na Zemi Eric Furst z University of Delaware. Opačné magnetické póly, indukované v částicích, způsobují růst řetězců dle velikosti aplikovaného magnetického pole. Za nějaký čas se tyto navzájem podobné řetězce začnou vzájemně spojovat. Tyto svazy řetězců částic vypadají jako řádky textu, když je magnetické pole střídavě aplikováno a zase odstraňováno. A tyto řetězce rostou v průměru s časem působení pole. Jak napovídá číslice -3 za názvem experimentu, na stanici v minulosti proběhly podobné výzkumy již dvakrát. Předchozí kolo InSPA- CE-2 skončilo na orbitální stanici roku 2009 a vědce překvapilo právě onou fúzí řetězců miniaturních částic. Na rozdíl od svých starších sourozenců je však kapalina, zkoumaná experimentem InSPACE-3, vybavena jinými 14 MAT 21

15 InSPACE-3 magnetickými částicemi. Zatímco předtím byly kulaté, tentokrát jsou elipsovité. Vědci si slibují jinou podívanou, jinou tvorbu řádkovitých řetězců, než u kulatých částic. pěnu? Styren byl poprvé izolován z borovičné pryskyřice již roku 1839 a náhodou se tehdy vědcům zpolymerizoval, čímž vzniká polystyren, nicméně praktické aplikace se dočkal až ve 30. letech 20. století. Polystyren je křehký plast, jenž dobře odolává kyselinám a zásadám, ale zase je citlivý na organická rozpouštědla typu benzín, UV záření Astronaut Kevin Ford se připravuje na práci s experimentem InSPACE-3 ve speciálním proskleném boxu, jež je patrný v pozadí. Důležitým hráčem v experimentu je stav beztíže na stanici, který dovoluje magnetickým částicím volný pohyb v celém objemu kapanu trojmocného železa s kyslíkem, v přírodě na něj narazíme jako na minerál hematit, rovněž hraje důležitou úlohu v geologických a biologických procesech. Hydratovaný je složkou rzi, užívá se například jako levná přísada do barviv nebo v kovozpracujícím průmyslu. Na Mezinárodní kosmické stanici se v současné době nachází šest nádržek s magnetickou kapalinou In-SPACE-3 s obsahem magnetických částeček o různých rozměrech, tři jsou primární a tři záložní. NASA plánuje celkem 12 testů na každé ze tří nádobek, celkem tedy 36. Testy se od sebe mohou lišit frekvencí magnetických pulsů, silou magnetického pole a velikostí částeček v kapalině. Experiment InSPACE-3 byl na palubě ISS zahájen 05. října 2012, dokončen má být během první poloviny letošního roku. Zajímavé je, že při aplikaci stálého magnetického pole na emulzi se z ní stane něco na způsob gelu, částice se nespojují příliš dobře a tvary, které vytváří, jsou nevyzpytatelné a vědci z NASA je přirovnávají k horkému sklu. Naproti tomu, když využijeme jen magnetické pole pulzující v řádu milisekund po dobu asi dvou hodin, částice vytvoří mnohem těsnější vazby. Při experimentech astronauti využívají frekvence magnetického pole o určité velikosti o hodnotách od pouhých 0,66 hertzů až po frekvenci asi 20 hertzů. Dění v nádobce je zaznamenáváno kamerou. Astronautka Suni Williamsová fotografuje zkumavku InSPACE-3 na bílém podkladu po vystavení magnetickému poli. Cílem výzkumu je porozumět pořádně základním principům těchto sebe-stavitelských částic a jít za cílem masivního využití jevu v technologii na Zemi. Výsledky pokusů InSPACE-2 a -3 můžou pomoci zlepšit či vytvořit nové technologie, například nové brzdové systémy, závěsy kol na automobilech, systémy vstřebávající náraz, podvozky letadel. Neocenitelného využití se takovéto chytré materiály možná jednou dočkají i při stavbách budov či mostů odolnějších vůči rozmarům přírody jako třeba zemětřesení. liny a ne jen vegetování na dnu, jak by tomu bylo tady dole na matičce Zemi. Pokud se ptáte, z čeho jsou složeny částice v nádržkách InSPACE-3, pak vězte, že jde o polystyrenové částečky a do každé z nich je vsazen kousíček oxidu železitého jako magnetické medium. POLYSTYREN: Kdo by neznal tuto starou dobrou bílou a teploty nad 70 C. Je také hořlavý a za určitých okolností karcinogenní. Užívá se v potravinářství k výrobě obalů či jednorázového nádobí, ve stavebnictví jako tepelná izolace. Dá se z něj rovněž připravit látka, připomínající plexisklo. OXID ŽELEZITÝ: Oxid železitý (Fe2O3) je chemicky dosti podobný rzi, proto také má mixovaná kapalina InSPACE-3 nahnědlou barvu. Jde o sloučeni- Vít Straka Zdroje: Více čtěte zde: Populárně naučný článek o InSPACE-3 na webu NASA: Charakteristika experimentu InSPACE-3 na webu NASA: Zdroje obrázků: NASA MAT 21 15

16 PROJEKTOVÉ AKCE Přijeďte na HVĚZDÁRNU! Jedním z hlavních cílů projektu Materiály pro nové tisíciletí je poznat vědní obory a odbornou práci jednotlivých partnerů projektu. Prvním, kdo začal mladým zájemcům představovat oblast, ve které pracuje, je Česká kosmická kancelář o.p.s. Počátkem letošního roku jsme pozvali kroužky MAT21 na cestu za poznáním tajemství vesmíru a zajímavostmi z kosmonautiky. Nabídky přijet se podívat na Štefánikovu hvězdárnu do Prahy, nebo do Hvězdárny a planetária v Brně, využilo v lednu až březnu 2013 celkem 12 škol z našeho projektu. Autobus se členy školních kroužků zamířil celkem sedmkrát do Prahy na Petřín, kde nedaleko známé rozhledny stojí budova Štefánikovy hvězdárny, a čtyřikrát do Brna na Kraví horu, odkud na Brno shlíží čerstvě zrekonstruovaná Hvězdárna a planetárium Mikoláše Koperníka. Pokud se v tuto chvíli nemůžete dopočítat výše uvedeného čísla 12 tak vězte, že jedna cesta do Prahy byla uskutečněna společně spřátelenými kluby z Přerova a Bruntálu. Jak v Brně, tak i v Praze, si mladí návštěvníci vyslechli povídání o tom, jak žijí kosmonauté ve vesmíru, jak na palubě Mezinárodní kosmické stanice jedí, spí, myjí se, či jak odpočívají. A také se dozvěděli o tom, jak kosmonautika pomáhá lidem na Zemi, kolik pro nás pozemšťany běžných věcí máme díky kosmonautice a jak často ve svém životě kosmonautiku využíváme, aniž to často tušíme. Průvodcem programu byl i náš maskot Krteček ano, opravdu ten, který byl v roce 2011 spolu s americkým astronautem Andrewem Feustelem na dvoutýdenní návštěvě Mezinárodní kosmické stanice ISS. Nade všechnu pochybnost byl Krteček nejfotografovanější celebritou každého návštěvního dne. Po povídání o kosmonautice následovala prohlídka pražské nebo brněnské hvězdárny (s odborným výkladem místního průvodce a vždy s velmi studenou návštěvou kopule s velkým astronomickým dalekohledem) a na závěr ještě astronomický pořad - buď pod velikou umělou oblohou brněnského planetária, nebo v přednáškovém sále pražské hvězdárny. A další program všech návštěvních dní byl podobný řízek od maminky, coca cola z automatu, a když už jsme v Praze (nebo v Brně), tak ještě návštěva dalších místních zajímavostí. Brzký ranní odjezd a pozdní večerní návrat byl vykompenzován slibem, že se druhý den ve škole nebude zkoušet. Tak věřme, že takovýto výlet stál za ten náročný den. Milan Halousek Zdroje obrázků: archiv MAT21 16 MAT 21

17 PROJEKTOVÉ AKCE Naše kroužky >>> NÁZEV KLÍČOVÉ AKTIVITY 09: CELO- ROČNÍ KROUŽEK PRO PRIMÁRNÍ CS <<< Tak takto zní v dokumentaci projektu Materiály pro nové tisíciletí kapitola, která řeší vznik a fungování kroužků na spolupracujících základních a středních školách. Kroužků mělo být podle projektu 25, nakonec jich od podzimu loňského roku funguje šestadvacet, a to v pěti krajích České republiky ve Středočeském kraji, v Ústeckém kraji, v kraji Libereckém, Olomouckém a na Ostravsku přesněji tedy v kraji Moravskoslezském. J: Gymnázium, Žatec, Studentská 1075, příspěvková organizace - Fyzika a vesmír K: Základní škola Jablonec nad Nisou, 5. května 76, příspěvková organizace - Debrujáři L: Střední odborná škola a Gymnázium, Liberec, Na Bojišti 15, příspěvková organizace Klub malých debrujárů M: Gymnázium F.X.Šaldy, Liberec 11, Partyzánská 530, příspěvková organizace - Kroužek kosmonautiky N: Základní škola a Mateřská škola Hanušovice, okres Šumperk - Debrujáři z Hanušovic X: Základní škola Opava, Mařádkova 15 - příspěvková organizace - Klub astronomie Y: Matiční gymnázium, Ostrava, příspěvková organizace - Astrofyzikální kroužek Z: Střední průmyslová škola, Ostrava-Vítkovice, příspěvková organizace - Základní kurz astronomie Naše školní kluby fungují jak na základních školách, tak na čtyřletých i osmiletých gymnáziích, na středních odborných školách i v neškolních zařízeních a navštěvuje je v průměru mezi 10 až 20 žáků ve věku od devíti do devatenácti let. Rozmístění škol (ale nejenom škol), kde naše kroužky MAT21 pracují (Čechy a Morava). Zdroj: Pod jednotlivými písmeny se skrývají následující školy: A: Gymnázium, Benešov, Husova Fyzika 007 B: Vyšší odborná škola, Střední průmyslová škola a Obchodní akademie, Čáslav, Přemysla Otakara II Kroužek fyziků C: Astronomický kroužek Kladno D: Astronomický kroužek při mladoboleslavské hvězdárně E: Gymnázium Václava Beneše Třebízského, Slaný, Smetanovo nám Laborky.cz F: Základní škola Kadaň, ul. Školní 1479, okr. Chomutov - Astronomie G: Gymnázium, Lovosice, Sady pionýrů 600, příspěvková organizace - Fyzikální kroužek H: Gymnázium a Střední odborná škola, Podbořany, příspěvková organizace - Astro trochu jinak I: Gymnázium, Teplice, Čs. dobrovolců 11, příspěvková organizace - Tepličtí vědátoři O: Gymnázium, Olomouc - Hejčín, Tomkova 45 - Klub malých debrujárů při GH P: Gymnázium Jiřího Wolkera, Prostějov, Kollárova 3 - Astronomický kroužek Q: Základní škola Přerov, U tenisu 4 - Astronomický kroužek R: Základní škola Uničov, Haškova 211, okres Olomouc - Věda je zábava S: Základní škola a mateřská škola Všechovice, příspěvková organizace - Veličinky T: Všeobecné a sportovní gymnázium, Bruntál, příspěvková organizace - Fyzikální kroužek U: Gymnázium a Střední odborná škola, Frýdek- -Místek, Cihelní 410, příspěvková organizace - KMD FreeDeK - Mudrcové V: Základní škola a mateřská škola Frýdek-Místek, Lískovec, K Sedlištím Malý vědec W: Slezské gymnázium, Opava, příspěvková organizace - Amatérská astrofyzika a astronomie Zaměření kroužků je rozmanité i když u většiny z nich se mezi hlavní témata řadí astronomie, kosmonautika a fyzika, najdeme i témata směřovaná k materiálovému výzkumu, chemii, technice, robotice, mechatronice a dalším přírodovědným oborům. V těchto dnech má již za sebou řada našich kroužků návštěvy hvězdáren a povídání o kosmonautice a astronomii, které připravila Česká kosmická kancelář o.p.s. Další exkurze, tentokrát na pracoviště dalšího partnera projektu, Ústav fyziky plazmatu AV ČR, v.v.i., se připravují na jarní měsíce letošního roku. My všichni, kteří připravujeme projekt Materiály pro nové tisíciletí, jsme rádi, že podle zpráv, které dostáváme, se činnost kroužků MAT21 úspěšně rozjela a těšíme se na další spolupráci a setkávání s mladými zájemci o moderní vědní obory. Milan Halousek MAT 21 17

18 TERMOJADERNÁ FÚZE POZOR, disrupce! Náhlé změny většinou nevěstí nic dobrého. Ať již ve společnosti, nebo ve fyzice. V zařízení pro výzkum termojaderného plazmatu, se takovýmto revolucím říká disrupce. Je to typ nestabilit plazmatu, který vede k náhlému kolapsu výboje doprovázenému řadou nepříjemností. Když se poprvé s disrupcí setkali na největším tokamaku na světě, na evropském tokamaku JET, jen zírali, jak se mnohatunové zařízení vzneslo do výšky cca dvou centimetrů a pak s rachotem dopadlo na podstavce. Zkušenost, která jednak vedla k mnohem pečlivějšímu ukotvení zařízení a jednak k zintezivnění mnohaletého boje s tímto záludným nepřítelem. Historie disrupcí sahá až k legendárnímu pinči ZETA padesátých let minulého století. V extrémních případech dnešních velkých tokamaků může disrupce způsobit mechanické poškození vakuové komory. Mezinárodní obr jménem ITER, který šest států a Evropská unie staví ve Francii je navržen, aby odolal nečekaným disrupcím při elektrickém proudu v plazmatu 15 MA. Čím větší proud, tím mohutnější je disrupce. A pochopitelně i její následky! Oprava poškozených částí zpožďuje plán prací a zvyšuje náklady na provoz. Disrupce jsou v každém případě nežádoucí! ITER hodlá fungovat v oblasti parametrů, kde je výskyt disrupcí minimální, chtělo by se říci žádný. Existují totiž podle bývalého ředitele tokamaku JET, Jeana Jacquinota, kouzelné hodnoty a intervaly. Myslí se hodnoty hustoty plazmatu, intenzity proudu a kinetického tlaku plazmatu, kde na disrupci nenarazíte. Zmíněné hodnoty nebyly spočítány, ale jsou výsledkem extrapolace tisíců měření na největších tokamacích jako jsou JET, MAST, ASDEX, DIII-D, JT60-U a další. 15 MA elektrického proudu v plazmatu ITER je sice hluboko v bezpečném pásmu, ale ITER je experimentální zařízení a bude testovat, s ohledem na dosažení co největšího fúzního výkonu, i hranice bezpečné zóny, ne-li oblast mimo zónu! Navíc hranice určené extrapolací nejsou stoprocentní. Pravá skutečnost bude známa až po jejich vyzkoušení! Takže ITER Nahoře zleva: Nepotlačená disrupce, Potlačená disrupce, Pohled do vnitřku vakuové komory tokamaku JET. Dole: Teplota naměřená v tokamaku JET během dvou případů disrupce: V jednom není disrupce potlačena a ve druhém je disrupce potlačena rychlým vstřikem velkého množství vzácného plynu (jak se předpokládá v tokamaku ITER). V případu potlačení disrupce je energie plazmatu rozložena na plochu stěny mnohem rovnoměrněji, její teplota zůstává během celé disrupce nízká, takže nedojde k poškození. Pro správnou představu vymezuje počítačová vizualizace ve vnitřku vakuové komory tokamaku JET oblast, kde se měřila teplota. Zdroj: Obrázek použit s laskavým svolením G. Arnouxe, M. Lehnena a EFDA-JET. 18 MAT 21

19 TERMOJADERNÁ FÚZE je navržen tak, aby zdolal bez oprav během celé své doby života až třem tisícům disrupcím při plném výkonu! Dokonce se počítá s měřením následků úmyslně vyvolaných disrupcí, ovšem při nízkém proudu. Co nečekané disrupce? Naštěstí vědci už dokáží z chování plazmatu identifi kovat blížící se disrupci, což umožňuje relativně včas reagovat: snížit dodávku paliva, zmenšit elektrický proud či dokonce změnit tvar plazmatu! Zmíněné zásahy mohou být iniciovány automaticky! Rutině je tento systém včasné výstrahy používán na německém tokamaku ASDEX-Upgrade a evropském tokamaku JET. Předpokládá se, že automatický systém jeho elektrony. To už je krůček ke generaci ubíhajících elektronů, které se řítí nekontrolovatelnou rychlostí vakuovou komorou. Pokud tak zvané runaway elektrony narazí do stěny komory, mohou ji poškodit. Jak disrupcím zabránit? O to se snaží plazmatici na mnoha experimentálních zařízeních, ale velkou, ne-li největší šanci, mají vědci obsluhující velký tokamak DIII-D v San Diegu, Kalifornii. Tokamak patří Oddělení energie společnosti General Atomics. Robustní tokamak je dosti velký, aby projevy disrupce byly patrné a vedle mnoha dalších výhod je vzhledem ke srovnatelně velkým zařízením, dosti odolný na to, aby záměrně nization US ITER. Lary Baylor, významný vědec Oddělení fúzní energie ORNL zdůrazňuje: Cíle jsou dva. Zbavit se nadbytku tepelné energie v plazmatu a zabránit škodlivým účinkům runaway elektronů. Metody, které se v San Diegu studují, spočívají v rychlém ochlazení plazmatu, nebo rychlém přerušení elektrického proudu v plazmatu. Rychlému, nicméně kontrolovanému. Horké plazma se skokem ochladí vstřelením zmražených pelet nejčastěji deuteria či neonu o velikosti korkové zátky láhve vína, respektive vstřikem plynu opět neonu či argonu. Masivní vstřik plynu do horního rohu plazmatu (první obrázek) zvýší vyzařování uvnitř plazmatu (druhý obrázek) a přemění velkou část kinetické energie plazmatu na energii záření při tepelném kolapsu (třetí obrázek). Tímto způsobem se vyhneme místnímu uložení energie na plochy divertoru a první stěnu. Vysvětlivky - #77806 = číslo výstřelu, t = 61,753 s = čas od počátku výboje, TQ (thermal quench) = kolaps teploty, CQ (current quench) = kolaps proudu. Zdroj: Obrázek použit s laskavým svolením G. Arnouxe, M. Lehnena a EFDA-JET. potlačení disrupcí bude instalován i na tokamaku ITER. Vedle mechanického pohybu celého experimentu uvědomte si, že disrupce představuje náhlou změnu silného magnetického pole elektrického proudu protékajícího plazmatem a tudíž generaci odpovídajících parazitních magnetických polí působících mezi sebou velkými silami se indukuje tak zvané smyčkové napětí v plazmatu, které urychlí vyvolané disrupce stroj nepoškodily. Jak říká Nicolas Commaux, ORNL: Výzkum disrupcí není vůbec populární, neboť i záměrně vyvolané disrupce mohou tokamak poškodit. Tlusté uhlíkové dlaždice pokrývající vnitřní stěnu vakuové komory tokamaku DIII-D ho však chrání více než dobře. Výzkum potlačování nebezpečných disrupcí koordinuje ORNL, laboratoř, která řídí americkou agenturu spolupracující s ITER Orga- Věřme, že ITER bude fungovat úspěšně, a pokud se nějaká disrupce objeví, tak jen proto, že si ji vědci naplánovali! Milan Řípa Zdroje: volně podle ITER newsline - MAT 21 19

20 TERMOJADERNÁ FÚZE Na slunci CMEs, v tokamaku ELMs Říká se, potkají-li se dva Angličané, začnou bavit o neča pardon o počasí. Když se setkají dva astrofyzici, tak vymění počasí za přepojení magnetických siločar, za tak zvanou rekonekci. Jak na povrchu Slunce, tak plazmatu v tokamaku určitě nepanuje klid, naopak divoké plazmatické řeky se kroutí v březích z přírodních zákonů a situace se v klubku syčících hadů plazmatu, ne nepodobných provazcům žhnoucí lávy na úbočí bouřící sopky, mění každým okamžikem. Není divu, že se v tom úžasném chaosu mohou potkat siločáry tekoucí opačným směrem. Konfi gurace v ten okamžik připomíná kříž a magnetické toky se skutečně pustí do křížku, jehož výsledkem může být přepojení stávajících siločar. Nová konfi gurace má menší energii než předchozí a je tudíž stabilnější - uvolněná energie zahřeje okolní plazma, které vystříkne do okolí. Coronal Mass Ejection (CME) pak vrhá do kosmického prostoru chuchvalce plazmatu, které mohou dorazit až k Zemi a poškodit citlivá elektronické zařízení. Třeba srdeční simulátory. S energií mnohem menší (přibližně krát) se na povrchu plazmatického prstence v tokamaku objevují erupce - Edge localized mode (ELM) plazmatu, které doslova útočí na stěnu vakuové komory. Narušená může být nejen stěna vakuové komory, ale ze stěny komory vyražené atomy wolframu s mnoha elektrony kolem jádra vniknou do plazmatu a čárovým zářením ho účinně ochlazují. Bez diskuze je nejvíce namáhán povrch divertoru. Divertor se standardně nachází v dolní části vakuové komory a jeho expované části jsou pokryty wolframovými dlaždicemi. Divertor je v řízeném kontaktu s plazmatem: odvádí spaliny, nečistoty a řídí výkon plazmatu. Bod tání wolframu je sice 3422 C, ale až 20 MW/m 2 vykoná své. Špičkové výkony atakují divertor zejména prostřednictvím ELMs. Na otázku Co všechno se může při takovýchto dějích přihodit na divertoru mezinárodního tokamaku ITER, který se staví na jihu Francie?, se snaží odpovědět vědci simulací těchto dějů na největším tokamaku na světě na evropském tokamaku JET. V řadě wolframových dlaždic pokrývající divertor nechají jednu až dvě dlaždice vyčnívat ze zákrytu a tím je vystaví až 30x většímu namáhání než byly-li by zasunuty. Dosáhnout bodu tání wolframu není zas až tak veliký problém, ovšem dosáhnout ho pomocí přechodového děje jakými jsou nestability okrajového plazmatu trvající méně než milisekundu už problém je. Vědci budou zkoušet na tokamaku JET další způsoby, dokud spolehlivě na otázku položenou v úvodu neodpoví! Milan Řípa Zdroj: Úmyslně vysunutá wolframová dlaždice je připravená k testování v tokamaku JET. Experiment tavení wolframu nestabilitami okraje plazmatu je součástí materiálových zkoušek pro tokamak ITER. Fotografi e použita s laskavým svolením EFDA JET. Zdroj: content/com/lists/stories/attachments/1378/sam_0016_smaller.jpg 20 MAT 21