Celkem 8 středoškoláků obdrželo letos ocenění Česká hlavička za nejlepší vědecké práce z oblasti ekonomie a podnikání, výpočetní techniky, přírodních věd, medicíny aj. Jde o analogii České hlavy – soutěže pro naše vědce. Záměrem je popularizovat vědu a techniku mezi mladou generací. Letos vybírali organizátoři z cca 100 zaslaných prací.
Redakci TT zaujali studenti z Gymnázia Opatov v Praze Ondřej Svoboda (1994) a Ondřej Zbytek (1995). Soutěž obeslali návrhem supravodičového setrvačníku. Jejich mechanické úložiště energie by mohlo posloužit jako alternativa k současným technologiím skladování vyrobené energie. O prototyp jejich setrvačníku projevila zájem Česká zemědělská univerzita. Právě v jejich laboratoři by se zanedlouho mohlo zrodit skutečné zařízení podle návrhu obou studentů.
Co vás přimělo k tak netradičnímu řešení? O. Z.: Všechno vlastně odstartoval úkol vymyslet nějaký atraktivní pokus pro den otevřených dveří v naší škole. Rozhodli jsme se pro experiment s kvantovou levitací. Protože nás tento fenomén velmi zaujal, rozhodli jsme se, že ho zkusíme nějak využít. Zrodil se projekt, který postupem času získal podobu, s níž vyhrál soutěž České hlavičky 2013. Cílem našeho projektu bylo vyvinout prototyp environmentálně nezatěžujícího mechanického úložiště energie. Při tom jsme využili některé progresivní technologie, kupř. bezkontaktní magnetický závěs založený na již vzpomenuté kvantové levitaci supravodiče. Další vývoj zařízení je nezbytný, mj. z titulu rychle se vyvíjejících kompozitních materiálů. O. S.: Naším záměrem bylo především sestrojit funkční model supravodivého setrvačníku, jako důkaz opodstatněnosti jeho budoucího využití. Vzhledem k tomu, že neexistují relevantní podklady, je tento projekt unikátní prací. Podle veřejně dostupných informací v tuto chvíli na světě neexistuje model supravodivého setrvačníku se stejným (či podobným) designem. Navíc: jedinečnost našeho modelu tkví nejenom v exaktní funkčnosti jednotlivých komponent, ale i v nízké pořizovací ceně a kompaktnosti celého zařízení.
Odkud jste čerpali základní inspiraci a odborné informace? České středoškolské učebnice fyziky podobnými údaji příliš neoplývají. O. Z.: To je pravda. Relevantních informací v českém jazyce je minimum. Začali jsme je shánět v zahraniční odborné literatuře. Přesto: náš projektový výstup je originální výtvor. Experimenty se neprováděly ve specializovaných laboratořích a při sběru dat byly použity nástroje, které jsme si sami vyrobili či přizpůsobili. O. S.: Sluší se připomenout i několik veřejných prezentací. Prokázaly nejenom projektovou smysluplnost a funkčnost zařízení, ale srozumitelnost našeho postupu jak pro odbornou, tak pro laickou veřejnost.
Kritici fosilní energetiky zdůrazňují, že ani po více než 100 letech pořád nemáme spolehlivý, bezpečný a nevyčerpatelný zdroj elektrické energie. Největší naděje do budoucna skýtá termojaderná fúze. Jenže stejně velký problém, jako je bezpečná a spolehlivá výroba energie, představuje také její velkokapacitní uchovávání. Řeší váš projekt toto dilema? O. S.: Uvědomujeme si tyto spojitosti. Pokud dokážeme vyrobit dostatek čisté a levné energie, logicky vyvstává otázka, kde a jak ji dlouhodobě, ekologicky a efektivně uchovávat. Celý svět dnes požaduje dostatek kvalitní energie a dobrý přístup k rozvodným sítím. To se týká kupř. nemocnic, datacenter a jaderných elektráren, kde je třeba zajistit dodávky energie i při síťovém výpadku. Pak nezbývá, než nasadit obrovské generátory spalující fosilní paliva, jejichž provoz je velmi neekologický, především co se týká znečištění ovzduší. Naše řešení představuje alternativu. Kromě absolutní ekologičnosti je jeho obrovskou výhodou také spolehlivost a nízká cena provozu. O. Z.: My si vlastně oborově zaktualizovali nerudovskou otázku: „Kam s ním?“ na „Kam s vyrobenou elektrickou energií?“ Tradiční řešení je jasné: ukládat ji chemickou cestou do akumulátorů, lidově baterií. Jenže to je neefektivní a především velmi nebezpečné řešení problému. Už samotná výroba baterií klade velkou zátěž na přírodu. A což teprve jejich likvidace, kterou dnes téměř nikdo neřeší. Daleko jednodušší, efektivnější a ekologičtější způsob, jak dlouhodobě skladovat energii, je podle nás její ukládání v mechanické formě. Kupříkladu formou nasazení vysokorychlostních setrvačníků.
Jaké funkce a parametry by měl vysokorychlostní setrvačník v budoucnu podle vás garantovat? O. S.: Základní požadavky tohoto „skladiště“ energie jsou jasné už dnes: » efektivnost a široká škála uplatnění » spolehlivost a dlouhá životnost » bezúdržbovost » minimální zátěž životního prostředí » ekologická recyklovatelnost použitého zařízení
A váš návrh všechny tyto body plní? O. Z.: Ano, náš koncept splňuje většinu těchto požadavků. Zařízení nevyužívá nebezpečné materiály v celé délce svého pracovního cyklu, od výroby po likvidaci. Nenachází se v něm žádné pohyblivé části (kde dochází ke tření), tudíž nehrozí ani opotřebení. Vzhledem k tomu, že energetická kapacita konceptu je naprosto variabilní, lze ho nasadit jako záložní zdroj pro malou odlehlou chatovou oblast, stejně tak jako obrovský záložní zásobník energie pro celé město.
Mohli byste alespoň rámcově přiblížit princip fungování vašeho vysokorychlostního setrvačníku? O. S.: Využíváme fenomén kvantové levitace supravodiče, jenž se projevuje chováním supravodiče vůči vnějšímu magnetickému poli. Když ho zchladíme pod kritickou teplotou, dojde k uzamknutí magnetického pole uvnitř supravodiče ve stavu, jaký byl v okamžiku překročení kritické teploty. Získáme tak magneticky provázanou dvojici supravodiče a magnetu. Tu můžeme libovolně přesouvat, hýbat se supravodičem či magnetem apod. Supravodič tyto změny do určité míry zátěže vždy vykompenzuje. Pokud použijeme symetrický rotační magnet, jenž roztočíme nad uzamčeným supravodičem v jeho magnetickém poli, získáme setrvačník s velmi malými ztrátami. Ty lze z větší části odstranit lokalizací celého systému do vysokého vakua. Tím dostaneme perfektní zásobník energie. Rotační mechanická energie uložená v systému navíc roste s druhou mocninou jeho úhlové rychlosti. Čím rychleji setrvačník roztočíme, tím více energie do systému uložíme.
Existují různé druhy supravodičů. Jaký aplikujete ve vašem modelu? O. Z.: Použili jsme vysokoteplotní supravodič YBCO CSYL-35 o průměru 35 mm, výšce 12 mm a hmotnosti 72,7 g. Kritická teplota činí 90 K. Zachycené magnetické pole při magnetizaci 2 T a 77 K: 1 T (strana monokrystalu), 0,64 T (spodní strana). Levitační síla extrapolovaná na nulovou vzdálenost při magnetizačním poli 0,5 T a 77 K je 100 N.
Je vysokorychlostní setrvačník doopravdy spolehlivější rezerva napájení? O. Z.: Zcela určitě je setrvačník spolehlivější než generátory na fosilní paliva. Předčí také elektrochemické zdroje elektrické energie, tedy baterie – akumulátory. Ty jsou náchylné k poruchám a nelze snadno odečíst jejich okamžitý stav nabití. Problémová je rovněž jejich produkce (především nebezpečné materiály používané k jejich výrobě) a také likvidace použitých baterií. O. S.: Velké naděje se před časem upnuly na nástup AZE, mj. fotovoltaiky. Ano, solární panely již jsou schopny pohltit a zpracovat velké množství sluneční energie. Nicméně její skladování je stále velký problém. Odolné a bezúdržbové úložiště jako je třeba to naše, by pak byla jasná odpověď.
Dokážete odhadnout termín uvedení vašeho návrhu na trh? O. Z.: Zatím ne. A to z několika důvodů: náš projekt počítá s rapidním vývojem kompozitních materiálů. Některé z nich nejsou zatím komerčně dostupné. Stejně tak se musíme podřídit vlastnostem současných supravodičů. Jsme ale optimisté a věříme, že tyto problémy lze v budoucnu překonat do té míry, aby naše zařízení bylo hojně aplikovatelné. O. S.: Náš projekt vysokorychlostního setrvačníku byl zatím největší výzvou, s jakou jsme se jako autorská dvojice museli vypořádat. Za několik měsíců jeho příprav jsme byli nuceni si osvojit spoustu nových odborných informací, ale i dovedností. Třeba leptání plošných spojů, práce s kapalným dusíkem, nové způsoby zapojovaní elektrických součástek do obvodu, práce s velmi silnými neodymovými magnety apod. Věříme, že naším projektem jsme přispěli k řešení dané problematiky. Sestrojení funkčního modelu supravodivého setrvačníku vystihuje opodstatněnost jeho využití. Ukázali jsme, že tato oblast je perspektivní. /bs/