Rok 2020 ve vědě

Obsah

Přehled některých zajímavých událostí ve vědě v právě uplynulém roce 2020. Hlavním tahounem samozřejmě byla pandemie Covidu-19. Další důležitou událostí bylo tradiční udílení Nobelových cen.

Bledě modrá tečka v2.0

Bledě modrá tečka je fotografie Země, kterou pořídila sonda Voyager 1 ze vzdálenosti 6,06 miliard kilometrů (6,6×10¹⁹ km). Fotografie byla pořízena na konci mise sondy v naší sluneční soustavě. V roce 2020 byla ikonická fotografie digitálně vylepšena.[1]

Originální fotografie, Země je malá tečka v hnědém pruhu napravo. Credit: NASA

Solární články

Se zvyšováním podílu obnovitelných zdrojů v energetice stoupají i požadavky na kvalitu a účinnost solárních článků. Jedním z velmi perspektivních materiálů jsou perovskity.

Perovskity jsou materiály, které mají stejnou strukturu jako minerál perovskit, CaTiO₃. Jejich obecný vzorec je ABO₃, atomy A leží v rozích kubické buňky, atom B pak na průsečíku jejích tělesových uhlopříček a kyslíky se nacházejí ve středech stěn (viz obrázek 1). Tuto strukturu má spousta podvojných oxidů s kovem v oxidačním stavu II a IV, ale nemusí se jednat jen o oxidické materiály. Setkáváme se s nimi v mnoha oblastech materiálové chemie, včetně iontových vodičů, supravodičů, atd.

Solární články s perovskity dosahují účinnosti až 26 %, což je velice slibný výsledek. Problémem je ale obsah olova, zpravidla se jedná o perovskity typu CsPbX₃, kde X je halogenid. Vrstva perovskitu v solárním článku dokáže absorbovat sluneční záření a generovat volné elektrony. Na rozdíl od, běžně využívaného křemíku, lze z perovskitů vyrábět i tzv. solární inkoust, který lze využít k tisku na povrchy předmětů.[2-4]

Mikroplasty v Antarktidě

V tomto případě jde o smutnou událost, znečištění mikroplasty, tzn. polymerními částicemi menšími než 5 mm je v současnosti hodně sledováno. V civilizovaných končinách se s ním setkáváme prakticky všude. Začátkem roku 2020 byly detekovány i v zamrzlých mořích Antarktidy, tím se dostává do potravního řetězce, protože je pohlcen krillem, který následně slouží jako potrava pro větší živočichy, vč. velryb.[5]

Mikroplasty ze sedimentů řek. Bílá čára odpovídá délce 1 mm. Zdroj: Martin Wagner et al./Commons

Vliv mikroplastů na životní prostředí a zdraví člověka zatím není zcela objasněn, ale i tak jde o poměrně zásadní informaci o distribuci odpadů produkovaných člověkem po Zemi.

Půvabný tetrakvark z LHCb

Studnicí nových objevů je samozřejmě urychlovač LHC v CERNu. Zpracováním dat získaných detektorem LHCb (Large Hadron Collider Beauty) v letech 2009-2013 a 2015-2018 byla nalezena nová částice. Jedná se o zcela nový typ částice složeny ze čtyř kvarků – dvou půvabných kvarků a dvou půvabných antikvarků.[6,7]

Higgsův boson

Objev Higgsova bosonu je asi nejvýznamnějším objevem CERNu, první pozorování bylo provedeno v roce 2012 pomocí detektorů ATLAS a CMS. Existence Higgsova bosonu byla potvrzena o rok později. V červenci byla publikována další pozorování této částice, bylo zjištěno, že se Higgsův boson rozpadů na dva muony.[8,9] Tato zjištění odpovídají očekávaným vlastnostem této částice.

Simulace zobrazující objevení Higgsova bosonu v detektoru CMS (v LHC). Zdroj: CERN/Commons

Supravodivost za laboratorní teploty

Supravodivost (schopnost materiálu vést elektrický proud beze ztrát) je velice zajímavý jev, v současnosti se už v některých aplikacích využívá a do budoucna má velký potenciál. Největším technickým problémem je nízká teplota, na kterou je nutné supravodiče chladit, zpravidla jde o teploty vyžadující chlazení kapalným heliem, příp. dusíkem.

Supravodiče jsou ideální diamagnetika, proto je možné pozorovat levitaci (Meissnerův-Ochsenfeldův efekt). Zdroj: Commons

Ke konci roku 2020 byla publikována příprava supravodiče složeného z uhlíku, síry a vodíku, který měl kritickou teplotu skoro 15 °C.[10-12] To vypadá samozřejmě velmi zajímavě, bohužel vyžaduje velmi vysoké tlaky, 140-275 GPa. Z toho důvodu zatím nejde o prakticky využitelný materiál, ale z teoretického hlediska je to velmi zajímavý objev.

Konec observatoře Arecibo

Mezi smutné události patří neplánované ukončení provozu portorické observatoře Arecibo.[13,14] Observatoř se skládala z parabolickým talířem o průměru 305 metrů a plošiny s aparaturou o hmotnosti 820 tun, která byla zavěšena nad talířem. Observatoř byla využívána např. k pátrání po mimozemských civilizacích (SETI)

Observatoř Arecibo, talíř a plošina. Zdroj: Juan.Alcaide231/Commons

Problémy začaly v roce 2017, kdy byl teleskop poškozen hurikánem. Vážnější poškození způsobil pád několikatunového nosného lana, které vyseklo do teleskopu třicetimetrovou díru. Před opravou tohoto lana prasklo jedno ze tří hlavních lan, které teleskop poškodilo tak vážně, že už nebyla oprava možná. Opravdu definitivní konec nastal v prosinci, kdy se zřítila celá plošina.[13,14,15]

UPDATE: V roce 2022 bylo rozhodnuto, že oprava teleskopu neproběhne. Observatoř bude nadále využívána jako výukové centrum.[18]

Jaderná fůze – rekord v tokamaku KSTAR

Jaderná fúze je proces, při kterém dochází ke slučování atomových jader za vzniku těžších jader a uvolnění energie. Pro energetiku je tento typ reakcí zajímavý, protože jako palivo stačí jádra vodíku, kterého máme (na rozdíl od uranu) v podstatě nevyčerpatelné zásoby. Technicky je s jadernou fúzí problém v tom, že pracujeme s plazmou o extrémní teplotě (100 miliónů K). Tuto teplotu samozřejmě žádný současný materiál (a nejspíš se takový materiál nepodaří vyrobit ani v daleké budoucnosti) nevydrží a plasma se musí udržovat uvnitř reaktoru tak, aby se nedotýkalo stěn. K tomu slouží silná magnetická pole generovaná supravodivými magnety.

Asi nejznámějším projektem, který slouží k vývoje elektrárny založené na jaderné fúzi je ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), ale nejde samozřejmě o jediný experiment tohoto typu. Projektem, který spolupracuje s ITERem je jihokorejský tokamak KSTAR.

Tokamak projektu KSTAR. Zdroj: Michel Maccagnan/Commons

V prosinci bylo v tomto tokamaku dosaženo rekordu, podařilo se zapálit plazmu a udržet ji po dobu 20 sekund.[16,17] Jde o velice důležitý krok, protože za těch dvacet sekund se povedlo získat velké množství dat, které poslouží k další optimalizaci provozu. Cílem je samozřejmě dosáhnout kontinuálního provozu. Pokud půjde vše podle očekávání mělo by se v roce 2025 podařit dosáhnout nepřetržitého provozu po dobu 300 sekund.