Článek
Unikátní zařízení na měření vyzařování a pohlcování tepelného záření vzniklo už na začátku tisíciletí v rámci disertační práce tehdy ještě studenta VUT Tomáše Králíka. Ten nedávno už jako zkušený pracovník Ústavu přístrojové techniky (ÚPT) Akademie věd se svými kolegy aparaturu využil při testování povlaku sondy JUICE, kterou chce Evropská vesmírná agentura (ESA) vyslat na průzkum Jupiteru.
„Kromě kosmického průmyslu už naše měření využily různé firmy z oboru kryogeniky pro aplikované projekty i odborníci z různých vědeckých pracovišť na základní výzkum,“ řekl v dvojrozhovoru pro Seznam Zprávy Králík se svým kolegou Jiřím Frolcem.
Takhle zařízení vypadá. Jde o speciální kryogenní aparaturu, která umí měřit vyzařování i pohlcování tepelného záření v obrovském teplotním rozsahu. (Zdroj: Ústav přístrojové techniky AV ČR)
Vaše práce pro ESA spočívala v ochlazení povlaku na velmi nízké teploty a následném měření tepelného záření, které ten povlak vyzařuje. Laikovi tohle nejspíš bude připadat zvláštní. Jaký význam má měřit teplo, které jde z materiálu, jenž je extrémně studený?
Tomáš Králík: Je potřeba si uvědomit, že každý povrch, který má nějakou teplotu (i třeba velmi nízkou), je zdrojem tepelného záření. Lidé mají sice zkušenost, že tepelné záření je spojeno vždycky s teplým povrchem, ale ve skutečnosti je vyzařuje každé těleso, které má vyšší teplotu než je absolutní nula (-273,15 °C). A stejně tak i tepelné záření pohlcuje. Říkáme tomu emisivita a absorptivita, což je schopnost buď emitovat, nebo absorbovat tepelné záření. Její míra se u každého povrchu liší a závisí na mnoha faktorech.
My jsme při měření simulovali nízkoteplotní podmínky v kosmu, což znamená rozmezí od pokojové teploty až ke zhruba pěti kelvinům, což je asi pět stupňů nad absolutní nulou. Ten vzorek byl kromě nízkých teplot ještě ve vakuu a my jsme ho pak nechali vyzařovat při různých teplotách a pokaždé míru vyzařování vzorku změřili.
Jiří Frolec: Chtěl bych ještě zdůraznit, že tohle všechno se týká jen měření přenosu tepla tepelným zářením. Vedle toho se teplo přenáší i jinými způsoby, ale my se je snažíme vyloučit právě tím, že v aparatuře máme vakuum a přenos tepla měříme mezi dvěma disky, které se nedotýkají.
V čem je vlastně ta informace o míře záření důležitá pro fungování sondy?
TK: Když je satelit ve vesmíru, tak se vesmír pro takový satelit chová jako velmi studený a ideální absorbující černý objekt, tzv. černé těleso. Z jedné strany ho ale ohřívá Slunce či vyzařování některé planety. To znamená, že na jedné straně se musí chladit a na odvrácené straně od Slunce musí být radiátor vyzařující teplo. Pak je otázka, jak má být ten radiátor velký. No a k tomu je potřeba znát míru vyzařování povrchu.
Co je mise JUICE
- Sonda názvem JUICE (Jupiter Icy Moons Explorer) se má do kosmu vydat v roce 2023 a jejím hlavním úkolem bude průzkum Jupiteru a jeho tří největších měsíců (Ganymed, Callisto, Europa).
- ESA si od sondy slibuje nové informace například o podpovrchových oceánských proudech měsíců a jejich struktuře.
- Kromě toho má JUICE ověřit i teorii o magnetosférických procesech v okolí Jupiteru.
Zmenšený model sondy JUICE při elektromagnetických testech v Nizozemsku.
U satelitů je navíc vždycky potřeba maximálně šetřit energií, tam nemůžou být žádné extra výkonné aktivní systémy tepelného managementu. A je tam vždycky snaha udělat to chlazení co nejvíc pasivní. Tuhle roli hrají právě speciální povlaky. A aby to fungovalo, je potřeba znát, jak jsou schopny vyzařovat a absorbovat teplo. A proto je to důležité.
O jak velkých tepelných rozdílech mezi osvícenou stranou Slunce a tou odvrácenou se bavíme?
JF: Na jedné straně může být teplota hluboko pod minus 100 stupňů Celsia a na druhé straně, na kterou svítí Slunce, to jde zase hodně vysoko do plusu, obzvlášť pokud jde o sondy, které jsou blíže Slunci. Takže než se vypustí do kosmu družice, musí se sledovat spousta parametrů jejího povrchu. Jedním z nich je právě pohlcování a vyzařování tepla.
Když se po vypuštění Hubbleova kosmického teleskopu na oběžnou dráhu Země zjistilo, že má špatně vybroušené zrcadlo, tak tam si ještě kosmonauti mohli zaletět a opravit jej. Když ale posíláte sondu až k Jupiteru, tak už je to definitivní a všechno musí být tip top. Také díky dlouholetým zkušenostem umíme upravit jakýkoliv materiál, který snese prochlazení a vakuum, do podoby vzorku a zjistit jeho tepelnou emisivitu nebo absorptivitu.
Kdo jsou Jiří Frolec a Tomáš Králík
- Jiří Frolec pracuje ve skupině kryogeniky na Ústavu přístrojové techniky AV ČR od roku 2013. Jeho hlavním zaměřením jsou experimenty týkající se přenosu tepla zářením, izolačních schopností materiálů, termometrie a okrajově i návrhy nízkoteplotních zařízení.
- Tomáš Králík začal ve skupině kryogeniky od roku 2001 pracovat na disertační práci, jejíž náplní byla metoda měření emisivit materiálů pro kryogeniku. Od roku 2004 zde pracuje na plný úvazek. Kromě přenosu tepla zářením se věnuje i základnímu výzkumu přenosu energie tepelně generované blízkým polem. V jiných experimentálních projektech skupiny se podílí na řešení přístrojového vybavení.
- Oba se také věnují popularizaci vědy. Často reprezentují nejen skupinu kryogeniky, ale i celý ÚPT.
V čem je vaše kryogenní aparatura jedinečná?
JF: Naše zařízení je unikátní v tom, že můžeme u povrchů měřit relativní míru toho, jak umí teplo vyzářit i absorbovat. Stačí nám jen prohodit pozice disků a můžeme měřit druhou z těchto veličin. Další věc je ten obrovský teplotní rozsah. Tedy že můžeme pracovat s teplotou od přibližně minus 263 stupňů do plus 50 až 60 stupňů.
Jak to zařízení vzniklo?
TK: Naše pracoviště se vývojem nízkoteplotních zařízení zabývá už od roku 1967. Myslím, že první aparaturu tady postavil kolega Pavel Hanzelka v roce 1986; byla jednodušší, s mnohem menším rozsahem, pro mnohem větší vzorky.
Já jsem v letech 1996 až 2001 studoval na brněnském VUT obor Fyzikální inženýrství a během studia pozvali celý náš studijní kruh do ÚPT na přednášku o kryogenice, abychom se něco dozvěděli o nízkých teplotách. Poté nám pracovníci nabídli, že sem můžeme chodit vypomáhat. Začali jsme tu dělat takzvanou pomocnou vědeckou sílu. Když jsem pak končil studium na VUT, domluvil jsem se, že bych tu mohl dělat disertační práci. Byla právě na téma měření emisivit a absorptivit materiálů pro kryogeniku. V rámci toho jsme s kolegou Pavlem Hanzelkou vyvinuli základní koncept aparatury.
Od té doby se ukazuje, že to mělo smysl. Měřící metodu jsme představili na konferenci Cryogenics v roce 2004, kde o to projevily zájem různé firmy. Časem se nám podařilo rozšířit teplotní rozsah, zvýšit přesnost a vylepšit celý proces měření. Pak jsme tedy dělali hlavně měření materiálů pro kryogeniku, tedy pro obor zabývající se nízkoteplotními zařízeními.
V posledních dvou letech se na nás začali obracet i lidé, co dělají do kosmického průmyslu. Ukázalo se, že co je vhodné pro kryogeniku, je v hodné i pro satelity. No a postupně ten zájem firem z kosmického průmyslu začal převažovat.
Na toto téma už jsme také publikovali několik článků, takže mnohá naše měření jsou dostupná on-line. Ovšem mnohé materiály používané na satelitech ještě změřeny nebyly.
JF: Naše aparatura se používá pro základní výzkum, tedy takový, který krůček po krůčku posouvá vědecké poznání a ještě se třeba neví, kam to všechno povede. A zároveň i pro aplikovaný výzkum, což je třeba právě naše měření pro ESA.
Najde vaše měření využití ještě v nějakém dalším oboru kromě kryogeniky a kosmického průmyslu?
TK: Ne. Ale málokdo si uvědomuje, kde všude se člověk s kryogenikou v běžném životě potká. Důležité je třeba zkapalňování plynů. Když půjdete do nemocnice a uvidíte tam takové velké bílé válce, bude to zřejmě kapalný kyslík. A tam jsou tepelné izolace, u kterých také musíte znát emisivity a absorptivity. Kapalný kyslík se využívá i při výrobě oceli, při svařování zase kapalný argon, dneska se hodně mluví i o vodíkových technologiích, to je také kryogenika. Bez nízkých teplot se neobejde ani výroba elektroniky. Takže ono je to všude kolem nás, ale není to moc vidět.
JF: A vedle toho je kryogenika důležitá i pro vědu, třeba takový CERN (Evropská organizace pro jaderný výzkum, pozn. red.) by se bez kryogenního zázemí neobešel.
Takže třeba i vědci v CERNu si mohou z vašeho článku vyhledat hodnoty nějakého materiálu, se kterým chtějí pracovat, a už ho vlastně ani nemusí měřit…
TK: Ano, tak nějak by to mělo fungovat. Samozřejmě pokud si budou chtít být jistí na 100 %, jak to s jejich konkrétním materiálem je, tak si to u nás můžou nechat ověřit.
Jak přesně začala spolupráce s ESA? Máte ponětí, jak na vás vůbec přišli?
JF: Kontaktovali nás e-mailem, kde zmiňovali, že na nás dostali od někoho tip. Z centra ESTEC, což je testovací středisko ESA v Nizozemsku, s námi komunikují dva lidé už od prosince 2020.
Tato práce pro nás byla velkou výzvou. Oni se opravdu hodně zajímají o to, co měříme, jak to měříme, jak měření vyhodnocujeme, jaký postup volíme a tak dále. Myslím, že nás to dost posunulo. ESA má skoro na všechno nějaké vlastní normy, standardy a zavedené postupy a my jsme v tom jejich seznamu nefigurovali, takže oni se logicky zajímali o všechno.
Máte přehled o tom, jestli existují i nějaká další pracoviště, která umí dělat to samé měření jako vy?
TK: Máme zatím takovou zkušenost z literatury, že pokud někde narazíme na nějaké hodnoty emisivity nebo absorptivity změřené podobnou metodou, tak většinou jde o vedlejší výsledek vývoje nějakého nízkoteplotního zařízení. Čili jde o to, že někoho něco zajímá, on si na to postaví vlastní zařízení, udělá jedno nebo dvě měření, a tím to končí. My to děláme soustavně pořád stejnou metodou už od roku 2003.
JF: Víme třeba o tom, že Američani dělali nějaké jednorázové měření pro ITER (Mezinárodní termonukleární experimentální reaktor), ale opravdu jde o střípky a ojedinělá měření. My už jsme třeba publikovali i celou databázi emisivit a absorptivit různých povrchů s různou úpravou. Za tuto práci jsme dokonce získali ocenění vědeckého časopisu Cryogenics za top článek roku 2019, čehož si velmi vážíme. Ta databáze je volně přístupná komukoliv, kdo potřebuje znát příslušné parametry materiálů, když třeba navrhuje nové nízkoteplotní zařízení.
Má pro vás ESA už teď nějakou další práci?
JF: Máme nasmlouvané měření dalších deseti vzorků. Část z nich už se nám podařilo otestovat.
Na rozdíl od povrchu pro sondu JUICE však u těchto vzorků nevíme, k čemu konkrétně mají sloužit. ESA jen uvedla, že to má pro své potřeby dalších misí a testů, nic víc.
TK: Kromě sondy JUICE jsme ještě měřili vzorky pro misi ARIEL, což je infračervený teleskop. Není to přímo zakázka pro ESA, ale je to pro jejího dodavatele.
Podobně jsme také zkoumali povrchy pro misi ATHENA, což je teleskop pro vysokoenergetické částice. V minulosti se k nám také dostaly povrchy pro MTG, tedy třetí generaci meteorologických satelitů.
JF: ESA nám ještě nad rámec toho všeho poslala jakýsi simulátor měsíčního prachu, respektive povrchu. Není to pravý měsíční povrch, ale je to definovaný materiál, který se mu má co nejvíce podobat. ESA by ráda znala, jaký vliv na interakci s tepelným zářením má třeba zaprášení tímto materiálem na různých površích. Oni o tom nevědí prakticky nic a pro nás to bude velká výzva, protože pokud to máme nějak otestovat, bude to vyžadovat úplně jiný přístup.
TK: Ano, my se tady vždycky nejvíc snažíme, abychom měli vzorky čisté a bez prachových částic, no a teď budeme měřit zaprášený vzorek. Celé to zřejmě souvisí s úvahami o návratu lidí na Měsíc.
A co třeba nějaké soukromé firmy nebo kosmické agentury mimo Evropu?
JF: Před zhruba dvěma lety nás kontaktoval profesor Doug Currie z Univerzity v Marylandu kvůli zařízení pro skupinu, která chystá vylepšení měsíčních odražečů laserových paprsků, které tam umístili astronauti a které umožňují velmi přesně měřit vzdálenost Země od Měsíce. Chystá se druhá generace těchto odražečů, které by se tam měly dostat s příští posádkou. V rámci návrhu těchto zařízení jsme pro americké kolegy měřili několik typů materiálů, ale nic dalšího z toho zatím nevzešlo.
Takže náš výzkum už byl jednou skoro na Měsíci, ale ono to někdy trvá dlouho, než z výzkumu vznikne odborný článek nebo samotná aplikace. Uvidíme, jak to dopadne.
TK: Zajímavé bylo, že za tím stál právě profesor Currie, který byl u první generace odražečů, které letěly už s Apollem. V Americe se teď ale znova mluví o návratu na Měsíc, takže on tu svou myšlenku oživil a asi chce být připravený a mít nové odražeče k dispozici.
Je práce pro ESA spíš otázkou prestiže nebo je to zajímavé i byznysově?
JF: Cenu nízkoteplotních testů si určujeme sami a z toho hlediska nebyla spolupráce s ESA ve srovnání se zakázkami pro ostatní firmy v ničem výjimečná. Vždycky ale záleží, kolik je s tím vším spojeno práce; cenu často zvýší náročná příprava vzorku a tak dále.
Kromě finančního příspěvku pro nás může být odměnou i jen společná publikace, když se například ozve nějaká firma s materiálem, který je pro nás profesně zajímavý.
TK: Nyní na přelomu roku je těsně před publikací jeden článek s finskou univerzitou a tamní firmou, kdy jsme testovali jejich velmi tenké ochranné povlaky pro měď a jejich vliv na emisivitu a absorptivitu, což dosud tímto způsobem nikdo neudělal.
Podobným případem je i čerstvá spolupráce s jedním italským pracovištěm, kde jsme měřili unikátní folie se zajímavými vlastnostmi, které chce tato instituce časem také dostat do vesmíru.
