Centrum HiLASE se chce stát jedním z respektovaných lídrů v aplikacích výkonových laserů. Naší ambicí je být R&D partnerem první volby pro firmy a výzkumné organizace, které hledají inovativní laserové technologie a řešení, a to jak na Zemi, tak i ve Vesmíru.
Vesmír, pro někoho ještě stále abstraktní pojem. Pro HiLASIÁNY Vesmír znamená výzvu, odhodlání, inovativní řešení a způsob, jak posunout hranice laserových technologií.
Z nově definovaných aplikačních oblastí je asi nejvíce ambiciózní právě oblast, která se zaměřuje na využití laserových technologií ve vesmíru. Odborným garantem oblasti Laserové technologie ve vesmíru je vedoucí oddělení vývoje pokročilých laserů, Ing. Martin Smrž, Ph.D.
Vzhledem k tomu, že se jedná o nový směr, kterému se Centrum HiLASE bude věnovat, požádali jsme Martina o rozhovor, ve kterém nám oblast Laserové technologie a jejich využití ve vesmíru objasní.
Pro mnoho lidí jsou vesmírné technologie ještě pořád hodně vzdálené…
Ono to může znít jako science fiction, ale praktické využití vesmírného prostoru a vlastně přesun mnoha technologií do vesmíru je blíže, než se může zdát.
Co všechno si pod laserovými vesmírnými technologiemi lze představit?
Laserové technologie vhodné pro vesmírné aplikace jsou například komunikace, navigace, prospekce povrchů, řízení vesmírného provozu, nebo i laserový pohon raket a vesmírných lodí.
Jaký bude přínos laserových technologií ve Vesmíru?
Vesmírné technologie jsou strategickým směrem, jak pro Centrum HiLASE, tak pro Fyzikální ústav a potažmo Českou republiku. Jedná se o technologie s velmi vysokou přidanou hodnotou, které mohou přinést mnoho nových zakázek českým firmám, průmyslu a mohou posunout české firmy do hi-tech oblastí. Česká republika by pak mohla využívat část vesmírného prostoru pro blahobyt jejích občanů.
Dlouhodobý potenciál, který možná převyšuje život člověka, je zcela jistě vysoký, ale i ten krátkodobý přínos je značný. S vysláním přístrojů/laserů do vesmíru je spojen např. vývoj zcela nových mechanických a elektrických konstrukcí, které budou šetřit vzácné materiální a přírodní zdroje. Takový laser, který bude robustnější a úspornější, můžeme ale vyslat i do extrémních podmínek tady na Zemi.
Jak realistická je myšlenka vyslání laserových technologií – laseru Centra HiLASE do vesmíru?
Centrum HiLASE se dlouhodobě zabývá využitím laserů pro průmyslové aplikace, například v technologiích obrábění a 3D tisku, nicméně do budoucna je logickou volbou přejít na aplikace ve vesmíru. Provoz laseru za podmínek, které panují např. na Měsíci nebo na oběžné dráze, je velkou výzvou. Lze navíc očekávat, že mnoho zajímavých aplikací spojených s těžbou nerostů a s výrobou komponent se do těchto míst přesune.
Mnoho z našich laserů dosáhlo světových rekordů v oblasti vysokoenergetických, diodově buzených laserů a pokud budeme v tomto vývoji pokračovat, tak si myslím, že má HiLASE velmi dobře našlápnuto laser do vesmíru skutečně vyslat. V tuto chvíli to pro nás znamená dále pracovat na účinnosti laserů, zvyšovat ji na co možná nejvyšší hodnotu, snižovat nároky na chlazení, eliminovat problémy spojené například s radiační zátěží, redukovat hmotnost apod. Ve spolupráci s místními partnery v České republice, ať už firemními, nebo akademickými, máme velmi dobrou šanci takový laser vyvinout.
Na kterou podoblast nebo směr se Centrum HiLASE soustředí?
Tím strategickým směrem laserových technologií pro vesmír nejsou čistě jen lasery. Jsou s tím spojené i další technologie – technologie laserového obrábění, technologie komunikační, měřicí a další, které využívají pro své fungovaní laserové systémy jako zdroje světla.
Do budoucna se chceme věnovat mimo jiné několika směrům. Pro malé lasery se jedná o komunikační spoje, mezi povrchem země a oběžnou dráhou, případně měsícem nebo ve vzdálenější budoucnosti mezi Zemí a Marsem a dalšími planetami. Může jít o komunikaci mezi satelity na oběžné dráze, mezi satelity na oběžné dráze a vzdáleným Vesmírem. Výhodou optických spojů je, že paprsek je směrový a může přenést poměrně velké množství informací najednou. To je důležité zejména s požadavkem na přenos obrazu s vysokým rozlišením, přenos velkého množství dat z budoucích základen na Měsíci, přenos dat směrem k misi na Mars…Laserové centrum HiLASE navrhuje pro tyto účely využití zdroje světla s dlouhou vlnovou délkou, které jsou méně náchylné nepříznivým vlivům, a zajistí dlouhodobě spolehlivější přenos. Nicméně takové zdroje jsou stále v plenkách a vyžadují i dlouhodobý vývoj detektorů, algoritmů spojených s komunikací na těchto vlnových délkách.
Zajímavou aplikací s rozsáhlým využitím jsou i LIDARy. Detekcí světla odraženého či rozptýleného analyzovaným objektem/jevem lze podrobně vzdáleně mapovat povrchy vesmírných těles, měřit přítomnost a koncentrace plynných složek a znečištění v atmosféře, analyzovat pohyby vzduchu v atmosféře atd. V případě vysokých požadavků na rychlost měření a vysoké rozlišení se neobejdeme bez laserů s vysokým výkonem. U analýzy znečištění je zase poptávku po zdrojích světla na různých exotických vlnových délkách z hlediska dostupnosti zdrojů.
Významným hospodářským přínosem bude těžba rud a minerálů na Měsíci, asteroidech a dalších vesmírných tělesech. Techniky analýzy povrchu těchto těles existují. Laserem indukovaná spektroskopie plazmatu odhalí, z čeho se daný vzorek skládá. Nicméně na asteroidu nelze přistát, a je třeba, aby analýza povrchu proběhla vzdáleně. Cílem je za pomoci laseru odpařit malý povrch toho materiálu, což znamená vyslání pulsu světla s velkou energií tak, aby dokázal ionizovat požadovaný kousek materiálu a vytvořit vhodný typ plazmatu pro analýzu. Další problém je spolehlivá detekce záření, které bude plazma emitovat. Jedná se tedy o komplexní problém spojený nejen s vývojem vysokoenergetického zdroje světla, který by spolehlivě fungoval na vesmírné lodi, ale i detekční soustavy, algoritmů apod.
U laserového pohonu vesmírných lodí se lidstvo soustředí na návrat na Měsíc, ale v dlouhodobých úvahách jsou i cesty na Mars a do hlubokého Vesmíru ke vzdálenějším planetám a tělesům mimo sluneční soustavu. Loď lze pohánět vysíláním světelného paprsku (ze Země nebo z oběžné dráhy), který v definovaném místě vytvoří zdroj plazmatu na vesmírné lodi. Ten je spojen s vytvořením silového impulsu, který je schopen vesmírnou loď posunout směrem ke vzdálenému Vesmíru. Pokud bude zdroj světla dostatečně intenzivní a soustředěný/cílený tak, abychom dokázali tou energií zasáhnout malé definovaný terč na té vesmírné lodi, může to být poměrně významný impuls k tomu, abychom se dostali i do velké vzdálenosti mimo sluneční soustavu. Předpokladem však je existence vysokovýkonového vysokoenergetické laseru pravděpodobně na oběžné dráze Země.
Jsme jako Centrum HiLASE | FZU AV ČR a případně ve spojení s dalšími partnery takový laser schopni vytvořit?
No já si troufnu tvrdit, že máme velmi dobré základy v konstrukci vysokoenergetických laserových systémů. Mnoho z našich laserů dosáhlo světových rekordů v oblasti vysokoenergetických diodově buzených laserů. Řadí se svou účinností ke špičce v oblasti laserové technologie vůbec, a pokud budeme v tomto vývoji ve spolupráci s vhodnými partnery pokračovat, tak si myslím, že máme šanci a velmi dobré předpoklady v nepříliš vzdálené budoucnosti do Vesmíru laser opravdu vyslat.
Jaká existují úskalí při vývoji vhodného laseru pro vesmírné aplikace?
Oříškem je určitě oblast mechanické konstrukce. Vesmír má svá specifika což znamená, že laser nemůže být moc veliký ani těžký. Musíme počítat s tím, že jediným zdrojem energie je ta solární. Řešením by mohlo být velmi účinné napájení zdroje pomocí solárních článků. Je třeba pracovat na maximalizaci účinnosti laserů, snižování nároků na chlazení tzn. navrhnout ho tak, aby si vystačil s radiací tepla do vesmírného prostoru. Dále je třeba řešit již zmíněnou radiační zátěž. Veškeré přístroje jsou vystaveny vesmírnému záření, které může poškodit optické systémy, elektroniku a dlouhodobě mohou vést k degradaci takového systému. Ve spolupráci s partnery je třeba vyvinout takovou optiku a elektroniku, které budou schopny těmto nepříznivým vlivům odolat. Opravdu se jedná se o velmi komplexní multioborovou úlohu, jejíž výsledek může mít v přeneseném významu, dopad na celou společnost, průmysl a ekonomiku.
Je Centrum HiLASE již v nějakém projektu souvisejícím s vesmírnými technologiemi zapojeno?
V poslední době jsme začali dělat první krůčky k vyslání našich vlastních technologií do Vesmíru. Ve spolupráci s turnovskou firmou CRYTUR vyvíjíme demonstrátor laseru s vlnovou délkou 2.1 µm, který bychom pro vesmírnou komunikaci chtěli otestovat.
Zatím se jedná se přípravnou fázi. Po vytvoření malého prototypu laseru chceme svazek reálně nechat šířit atmosférou a následně kvantifikovat přínos využití této vlnové délky pro komunikaci mezi Zemí a Vesmírem. Pokud budeme úspěšní, tak budeme v projektu pokračovat a v další fázi stavět už větší laser, robustnější, přímo navržený pro takový typ komunikací. U vesmírných technologií je opravdu důležité multioborové zapojení dalších partnerů, v tomto případě se znalostmi detekce malých optických signálů.
Ve stádiu přípravy je i mise LUGO (Lunar Geology Orbiter) vedená brněnskou firmou TRL Space , která směruje k tomu, že bude navržen a sestaven LiDAR, který bude mapovat určitou oblast pod povrchem měsíce. Měli bychom být schopni nasnímat ve vysokém rozlišení to, co se tam nachází.
„Centrum HiLASE má jako jednu ze strategických priorit pro další dekádu vývoj laserů pro kosmické aplikace. TRL Space je v tomto ohledu pro nás klíčový partner, se kterým tyto ambice můžeme společně naplnit a produkty jako je LiDAR pro sledování objektů ve vesmíru či topografii Měsíce vyvinout,“ říká o spolupráci s TRL Space veducí Centra HiLASE, Tomáš Mocek.
Dalším projektem ve spolupráci s TRL Space je vyslání družice TROLL na oběžnou dráhu Země. Tam se jedná o vývoj malého testovacího laseru, LiDARu, který by byl skutečně vyslán na oběžnou dráhu Země na testovací misi. Díky LiDARu by družice mohla s vysokou přesností monitorovat objekty pohybující se na oběžné dráze.
Centrum HiLASE je i jedním z řešitelů nového projektu zaměřeného na vývoj pokročilých optických systémů, v tomto případě je to kompaktní optická hyperspektrální kamera FREYA pro CubeSat mise. pro použití ve stratosféře a Vesmíru.
Laserové technologie ve Vesmíru mají široké spektrum aplikací, včetně dálkového snímání, laserového pohonu, komunikace, navigace, výzkumu atmosféry a povrchu planet a vesmírných těles, obranných aplikací, ale i kosmického vědeckého výzkumu. Využívají se například i v astrofyzikálním výzkumu pro detekci a studium gravitačních vln, které mohou být generovány při srážce černých děr a neutronových hvězd.
Centrum HiLASE disponuje moderními laserovými systémy, špičkovou infrastrukturou, mezinárodním týmem s vysoce odbornými znalostmi v oblasti laserových technologií, které nám umožňují úspěšné zapojení do projektů spojených s Vesmírem.
Využití laserových technologií a jejich aplikace ve Vesmíru vnímáme jako perspektivní oblast. Věříme, že může pozitivně ovlivnit nejen českou ekonomiku a prestiž České republiky v kosmickém výzkumu, společnost a průmysl, ale i vědu jako takovou.
Rozhovor s Martinem Smržem, garantem oblasti Laserové technologie ve vesmíru, vedla Marie Thunová, vedoucí Marketingu & PR.
Poznámka pod čarou:
Víte, jak poznáte HiLASIÁNA?
Miluje Star Wars, Hvězdnou bránu, Doktora WHO, Teorii velkého třesku nebo Červeného trpaslíka. Nebojí se snít a zkouší nové věci, mnohdy i ty, které se zdají nemožné a nikdo je dříve nevyzkoušel. Lákají ho nové technologie a sám je dále zdokonaluje. Svým způsobem se neustále učí a je i „hračička“. Má rád asijskou kuchyni, „suchý inteligentní “ humor a většinou poslouchá rock.
