Fyzikální ústav AV ČR, v.v.i.

Podrobnosti

Kategorie: Exkluzivní rozhovory

Český výskum prináša riešenia pre svetovú budúcnosť

Špičková veda, revolučné objavy, inovácie v oblasti fyziky. Poslaním Fyzikálního ústavu Akademie věd České republiky (FZÚ) je hľadať riešenia na aktuálne vedecké a technické výzvy súčasnej spoločnosti, a to aj cestou rôznorodej spolupráce s priemyslom. Viac nám o tejto téme porozprával Ing. Alexandr Dejneka, Ph.D., vedúci Sekcie optiky FZÚ a vedúci Oddelenia optických a biofyzikálnych systémov MATCA.

FZÚ neustále napreduje v upevňovaní svojho statusu vo vedeckovýskumnej infraštruktúre. Aké významné spolupráce sa vám podarilo nadviazať v poslednom období?

Spolupráca s priemyslom prebieha najmä prostredníctvom našich projektov, ktorými sú Národní centrum kompetence MATCA a Brain4Industry. Prvý zmienený projekt sa sústredí na prepájanie vedy a súkromného sektora a na aplikáciu vedeckých poznatkov do praxe. Ako príklad môžem uviesť spoluprácu na vývoji nových materiálov a zmesí pre 3D tlač z kovov, rozsiahlu spoluprácu so zlievarňou Beneš a Lát a so zbrojovkou Colt CZ Group.

V rámci projektu Brain4Industry pomáhame českým malým a stredným podnikom s digitalizáciou a automatizáciou procesov, napríklad využitím umelej inteligencie a aditívnych technológií. V Dolních Březanech pri Prahe zároveň vzniká Inovačné centrum, kde si firmy budú môcť vyskúšať moderné technológie v praxi ešte predtým, než do nich investujú. Myslíme aj na mladú generáciu, pracujeme s talentovanými študentmi, a to v rámci nášho Rozvojového centra Radius, ktoré im ponúka stáže ako v akademickej, tak aj priemyselnej sfére, čo je ďalšia ukážka práce s partnermi zo súkromného sektora.

Kedy došlo k výraznému prehĺbeniu spolupráce FZÚ s priemyslom?

Začiatky priemyselnej spolupráce siahajú do obdobia konca 90. rokov, kedy bola veda stotožňovaná výlučne so základným výskumom. Vo vedení Sekcie optiky však pôsobil jeden z mojich predchodcov, ktorý si veľmi zakladal na tom, aby mal český vedec možnosť nielen prísť s nápadom, ale ho aj kompletne zrealizovať. Ja som sa rozhodol v tejto myšlienke pokračovať. V začiatkoch sme sa veľa naučili pri riešení projektov s priemyselnými partnermi, ktoré boli financované Technologickou agentúrou ČR a Ministerstvom priemyslu a obchodu ČR. Potom sme spoločne založili spin-off CARDAM, ktorý je R&D spoločnosťou prevádzajúcou vedecké výsledky do praxe.

Aké úskalia prináša táto spolupráca?

Najväčšie úskalia spolupráce s priemyslom vidím v odlišnom nastavení vedcov a biznisu. Vedec potrebuje cibriť svoje riešenia do dokonalosti bez ohľadu na to, ako dlho vývojový proces potrvá. Priemyslu vyhovuje riešenie dobré, ale poskytnuté v konkrétnom termíne, na ktorý je naviazaný ďalší biznis plán. Tieto dva odlišné prístupy zo začiatku na seba trochu narážali, ale zvládli sme ich zosúladiť.

V súvislosti s dnešnou vedou sa často spomína interdisciplinarita. Prečo je dôležitá?

Interdisciplinarita je témou, ktorá sa vo vedeckom svete skloňuje posledných 15 rokov, a trúfam si povedať, že na Sekcii optiky patríme v tejto oblasti k priekopníkom. Svet okolo nás nefunguje len na základe fyzikálnych zákonov, preto keď chceme posúvať naše znalosti o ňom a prichádzať s novými nápadmi, ktoré zlepšia každodenný život, musíme spojiť sily aj s ďalšími odbormi. Naši biofyzici v súčasnosti patria ku svetovej špičke. Napríklad výsledky výskumu kolegov vyvíjajúcich biočipy nachádzajú uplatnenie v každodennom živote, ich prístroj na detekciu patogénov v potravinách nedávno prevzala ochranná služba polície. Dosiahnuť podobné výsledky by nebolo možné, keby v našich radoch nefigurovali biológovia, chemici, optici, konštruktéri a experti v ďalších odboroch.

Môžete spomenúť niektoré ďalšie výsledky priemyselnej spolupráce?

Okrem zmienených biočipov patrí k najzaujímavejším priemyselným projektom, pri ktorých nie sme viazaní mlčanlivosťou, generátor nízkoteplotnej plazmy na hojenie rán. Bol už certifikovaný pre použitie vo veterinárnej medicíne, a teraz ho testujeme v spolupráci s Ústavom experimentálnej medicíny a Fakultnou nemocnicou Brno aj pre využitie v liečbe ľudských pacientov.

Na ktoré oblasti sú zamerané dlhodobé výskumno-vývojové projekty spolupráce s priemyslom?

Aktívne rozvíjame priemyselnú spoluprácu vo všetkých oblastiach nášho výskumu. Podarilo sa nám vybudovať veľmi kvalitný tím expertov v oblasti 3D tlače. Využitím 3D tlače z kovov sme schopní firmám ušetriť veľké náklady pri výrobe zložitých štruktúr, či pri malovýrobe a prototypovaní určitých komponentov. Výborné výsledky dosahujeme v oblasti povlakovania, vrátane unikátnych technológií na nanášanie povlakov do vnútorných častí dutých otvorov. Veľký potenciál vidíme vo využití plazmových technológií v mnohých oblastiach od povlakovania, dezinfekcie a aktivácie povrchov, až po plazmové splyňovanie odpadu a vývoj ochranných prvkov bankoviek. Zaoberáme sa tiež analýzou a vývojom nových materiálov a firmám navrhujeme riešenia, ako postupovať pri ich optimalizácii a ďalšom zdokonaľovaní. Silní sme aj vo sfére umelej inteligencie – prediktívna údržba zariadenia je totiž schopná ušetriť v továrňach obrovské prostriedky, ktoré by museli byť vynaložené na zbytočný servis.

V Dolních Březanech pri Prahe sa nachádza jeden z hlavných investičných projektov FZÚ. Centrum HiLASE zaisťuje dlhodobé a efektívne využívanie novovybudovanej infraštruktúry s laserovými zariadeniami pre excelentný výskum a maximalizáciu dopadu výsledkov výskumu a vývoja na spoločnosť. O aktivitách špičkového výskumného centra sa viac dočítate v druhej časti nášho článku, na otázky odpovedá jeho vedúci Ing. Tomáš Mocek, Ph.D.

Centrum HiLASE vyvíja inovatívne riešenia laserových technológií. Môžete priblížiť aké technologické výzvy rieši v súčasnosti?

Jednou z veľkých výziev dneška je škálovanie technológie laserového nanoobrábania pre priemyselnú výrobu funkčných povrchov. Vhodne vytvorené nanoštruktúry totiž dokážu meniť povrchové vlastnosti materiálov ako sú zmáčanlivosť, trenie, priľnavosť alebo biokompatibilita. Výroba takýchto povrchov je však zatiaľ časovo aj ekonomicky veľmi náročná. Domnievame sa, že kľúčom k riešeniu je paralelizácia výrobného procesu metódou mnohozväzkového laserového obrábania. V roku 2021 sa nám vďaka kombinácii unikátneho laserového systému PERLA (vyvinutého v Centre HiLASE) s prototypom difrakčného optického elementu (vyvinutého firmou HOLO/OR) podarilo demonštrovať paralelné nanoobrábanie využívajúce viac ako 40-tisíc laserových zväzkov, s produktivitou nanoštruktúrovania cez 1900 cm2/min. Tým sme sa priblížili k priemyselným požiadavkám kladeným na laserové nanoštruktúrovanie. Naša metóda je prísľubom rýchlej a ekonomickej výroby napríklad superhydrofóbnych povrchov.

Vedci v HiLASE hľadajú cestu k výkonnejším a odolnejším laserom pre budúce priemyselné využitie. Aký je záujem o tieto technológie?

S koncom pandémie pozorujeme zvýšený záujem o laserové technológie Centra HiLASE ako doma, tak aj v zahraničí. Uplatnenie nového spôsobu povrchových úprav materiálov možno využiť k podpore rastu buniek (na telových implantátoch), alebo k zníženiu trenia obrábacích strojov. S priemyselnými partnermi aktuálne spolupracujeme na technológiách pre tvorbu funkčných povrchov zlepšujúcich trenie a efektívnosť využívania mazadiel, či pre výrobu nových typov batérií. Ďalej sa zaoberáme vývojom povrchov pre zlepšenie únavovej životnosti a zvyšovanie odolnosti voči vodíkovej krehkosti aditívne vyrábaných materiálov pre letecký priemysel. Riešime aj zlepšenie odolnosti čepelí vodných čerpadiel proti kavitačnej erózii.

V tomto roku ste dosiahli ďalší svetový rekord na laserovom systéme BIVOJ. Akú technológiu využíva tento systém na dosiahnutie vysokého výkonu?

V januári 2022 sa nám podarilo vygenerovať laserové pulzy s vlnovou dĺžkou 515 nm (zelená farba monochromatického svetla) s rekordnou energiou 95 J pri opakovanej frekvencii 10 Hz, čo predstavuje stredný výkon 0,95 kW. Ku konverzii do tzv. druhej harmonickej frekvencie dochádza pri prechode laserového zväzku systému BIVOJ (základná vlnová dĺžka 1030 nm) špeciálne nastaveným nelineárnym kryštálom LBO (boritanu hlinitého) s veľkou apertúrou. Pre realizovanie vysokého stredného výkonu využívame kombináciu dvoch kľúčových technológií: diódového optického čerpania a kryogénneho chladenia. Dosiahnutím tohto míľnika si Centrum HiLASE upevnilo svoju vedúcu pozíciu a potvrdilo, že užívateľom bude ponúkať laserové parametre, ktoré nikde inde vo svete nenájdu.

So systémom BIVOJ neustále posúvate limity laserových technológií. Aké možnosti to prináša pre priemysel?

Nakoľko má rada materiálov výrazne väčšiu absorpciu laserového žiarenia s vlnovou dĺžkou 515 nm ako v prípade žiarenia na 1030 nm, vďaka druhej harmonickej frekvencii je možné efektívne spracovávať neželezné kovy ako napríklad meď alebo hliník. Vlnová dĺžka 515 nm je totiž veľmi málo absorbovateľná vodou, a preto s týmto laserovým zdrojom možno realizovať experimenty aj pod vodnou hladinou. To možno využiť pre zvyšovanie únavovej životnosti a odolnosti súčiastok na ťažko prístupných miestach alebo v rizikovom prostredí, ako je napríklad primárny okruh jadrovej elektrárne. Je to veľmi dôležité aj pre technológiu laserového vyklepávania rázovou vlnou (Laser Shock Peening), ktorá vyžaduje vrstvu kvapaliny pre lepšie spojenie laserom generovaných rázov s cieľovým materiálom. Práve možnosť úplného ponorenia túto potrebu eliminuje a celý proces spracovania zjednodušuje.

Centrum HiLASE sa aktívne zaoberá popularizáciou vedy. S akou odozvou sa stretávate? Môžete konkretizovať niektoré z týchto aktivít?

Pre vedu sa snažíme nadchnúť všetky vekové skupiny, a preto často organizujeme exkurzie, dni otvorených dverí či laserové dni pre základné, stredné a vysoké školy. Zúčastňujeme sa na akciách ako je Veľtrh vedy, Noc vedcov, Týždeň Akadémie vied či Medzinárodný deň svetla. Pre stredoškolákov pravidelne pripravujeme víkendové akcie – Talentová Akadémia a Science Challenge, kde majú príležitosť vyskúšať si prácu laserového fyzika v praxi. Na týchto akciách približujeme návštevníkom vedu názorne, napríklad ukážkou Schlieren systému, fyzikálnych pokusov, optických experimentov či vedecko-popularizačných prednášok a workshopov. Tí, ktorí majú radi interaktivitu, ocenia naše laserové bludisko alebo virtuálnu realitu s laserom BIVOJ.

Akciami pre verejnosť ale popularizácia vedy nekončí. Tento účel plnia aj naše sociálne siete či videá na našom YouTube kanále. Vedu sa snažíme vnášať aj do iných oblastí – v našej blízkosti sa môžete vydať po stopách laserov s geocachingom. V neposlednom rade sú pre nás veľmi dôležité aj publikácie, a to nielen rýdzo vedecké, ale aj popularizačné, ktoré možno nájsť napríklad na webe Czechlasers.cz.

Prezradíte nám na záver niektorý z veľkých projektov, na ktorý sa zameriate v blízkej budúcnosti?

V ďalšej dekáde sa s našimi lasermi chystáme do vesmíru. HiLASE má ambíciu vyvíjať laserové technológie, ktoré budú kvalifikované pre vybrané vesmírne aplikácie. Tie zahŕňajú laserové systémy, ktoré umožnia lepšiu satelitnú komunikáciu, detekciu prvkov na asteroidoch alebo 3D tlač vo vesmíre.

Průmysl Dnes