Plazma všude kolem nás

Nejen mlhoviny, hvězdy a mnohé další objekty vesmíru, ale třeba i kuchyňské nože, blesky letních bouří nebo plazmové televizory. Všechny tyto kosmické i pozemské jevy, objekty a věci mají kupodivu jednoho společného jmenovatele. Je jím právě plazma. Hovořili jsme o něm s astrofyzikem Petrem Kulhánkem z katedry fyziky Fakulty elektrotechnické ČVUT v Praze, autorem knihy Blýskání aneb Třináctero vyprávění o plazmatu, určené nejširší veřejnosti.

Co je to vlastně plazma?

„O plazmatu se nejčastěji hovoří jako o čtvrtém skupenství hmoty, což je úplně v pořádku. Když budeme mít skupenství pevné a budeme zvyšovat teplotu, tak se postupně změní na kapalinu a plyn. A když budeme teplotu zvyšovat i nadále, případně i tlak, tak dojde k tomu, že elektrony z elektronových obalů budou alespoň částečně odtrhány a v tu chvíli již hovoříme o plazmatu. Nejzajímavější charakteristika plazmatu tedy je, že tam jsou volné elektrony, volné nosiče nábojů a tím plazma může reagovat na elektrická magnetická pole, což neumí ani pevné, ani kapalné a ani plynné skupenství. Tím se plazma od ostatních skupenství výrazně odlišuje a ten skok i ve vlastnostech je skutečně obrovský.“

Kde všude plazma nacházíme?

Fotografie nejvzdálenějších galaxií ve vesmíru pořízena Hubbleovým dalekohledem. Vše, co na ní vidíte, je plazma...|foto: NASA

„Je velice zvláštní, že ho nacházíme všude kromě naší Země, která je jakousi neplazmatickou oázou ve vesmíru. Z plazmatu jsou uhněteny mlhoviny, hvězdokupy, hvězdy, galaxie i mezigalaktický plyn. Země má plazma v magnetosféře, což je magnetický obal, který ji chrání před vnějšími vlivy. Také ionosféra je z plazmatu. Plazma nacházíme za bouřek v kanálech blesků, ve výbojkách v nočním městě, v laboratořích plazmových fyziků a dokonce i na místech, kde bychom ho nečekali, leckdy i v našich domácnostech. Třeba v plazmové televizi.“

Plazma není vzácné jen na Zemi, ale obecně na všech kamenných planetách a měsících. Proč tomu tak je?

„Je to tím, že tu máme chladno. To je vlastně dobře, protože kdyby tady nebylo chladno, tak by tady nebyl ani život. Podmínka existence života je taková, že se musí rozvíjet v neplazmatickém prostředí, protože za extrémních teplot, které v plazmatu fungují, se leckdy neudrží pohromadě ani složité organické molekuly a jsou štěpeny. Život mohl vznikat jedině v chladných místech, jako jsou kamenné planety.“

Fyzice plazmatu se věnujete už pár desítek let a letos jste nevydal o plazmatu knihu jednu, ale hned dvě. Ta první je ale určena skutečným „zasvěcencům“. Čím vás toto složité téma kdysi tak uchvátilo?

„Souvisí to s mými vysokoškolskými studiemi. Já jsem se toužil stát astronomem a chtěl jsem studovat astronomii a astrofyziku. To byl tenkrát elitní obor, kam se brali jen dva studenti do ročníku. Říkal jsem si, že šance dostat se tam je minimální, a tak jsem zvolil fyzikální elektroniku a vakuovou fyziku, kde se uvádělo, že se zabývají také fyzikou plazmatu. Já už tenkrát věděl, že vesmír je z plazmatu, tak jsem si říkal, že to bude dobrá cesta. Nakonec mě ten obor relativně zklamal, protože se tam zabývali hlavně vakuovou technikou, takže jsem ve finále přešel na teoretickou fyziku a stejně k té astronomii migroval. Můj zájem o plazma byl tedy od počátku podnícen zájmem o astronomii. Astronomie a plazma, to je v dnešní době téměř jedno a to samé, protože hvězdy jsou ukuty z plazmatu. Mnohem později, už v době, kdy jsem se stal přednášejícím na vysoké škole, mě požádali na jaderné fakultě, abych vedl kurz teorie plazmatu pro magisterské studium. A tam vznikly zárodky obou těchto knížek. Z přednášek pro studenty vznikla první vysokoškolská učebnice asi po 35 letech. Autorem té předchozí byl pan profesor Jiří Kracík, což byl vynikající odborník, ale vzhledem k tomu, jak se ten obor bouřlivě rozvíjí, byla už ta knížka zastaralá a bylo nutné napsat novou.“

Blýskání|foto: Nakladatelství AGA (Aldebaran Group for Astrophysics)

Tak vznikala učebnice Úvod do teorie plazmatu. Druhá kniha, která je určená nejširší veřejnost, tedy Blýskání, je jakýsi její populární „klon“?

„Dá se to tak říci. Když tu mou učebnici otevřeli vysokoškolští odborníci, byli všichni nadšeni, že je tady konečně učebnice fyziky plazmatu. Když ji ale otevřel můj kolega astronom nebo studenti jiných, než teoretických oborů, tak se zděsili a říkali mi: v tom si nepočteme. Zase knížku zaklapli a tak se vlastně zrodil nápad, že by bylo dobré napsat o plazmatu něco, co by mohli číst i čtenáři nefyzikálně vzdělaní, čtenáři z řad studentů gymnázií, a tak jsem začal pracovat na té knížce Blýskání, která je širokým spektrem příběhů o plazmatu, určeným pro všechny možné čtenáře, nejen pro vysokoškolské odborníky.“

Kniha má celkem třináct kapitol. Každá se zabývá jiným „plazmatickým“ tématem. Rozebírat jedno po druhém by zabralo příliš mnoho času, každé z nich by si totiž zasloužilo své samostatné povídání. Pojďme se tedy zmínit alespoň o projevech plazmatu u nás na Zemi. Nejpřitažlivější a nejzjevnější z nich dal vaší knize její název. Blesky zná totiž každý...

„První kapitola je věnována ‚běžným‘ bleskům. Když to ale takto řeknu, každý si představí blesk, který směřuje od mraku k zemi nebo mezi mraky. Málokdo ví, že Země se chová jako kulový kondenzátor, kde jednou elektrodou je zemský povrch a druhou elektrodou ionosféra ve výšce asi 80 kilometrů. Ten bouřkový mrak je mezi tím, ve výšce 10 - 15 kilometrů. Část blesků jde z dolní vrstvy mraků k Zemi, k jednomu pólu toho kondenzátoru, ale existují i další blesky, které jdou z horní vrstvy mraku až do ionosféry, do horní vrstvy kondenzátoru. I o těchto atypických blescích, kterým se říká modré výtrysky a červené přízraky, se píše v té první kapitole. Také si nemyslím, že by širší veřejnost věděla, že při úplně normální bouřce v blesku vzniká rentgenové záření, nebo že tam může vzniknout gamazáblesk. To jsou průvodní jevy bouřek, které jsou dnes dobře známé a jsou postupně studovány a poznávány.“

Blesky ve městě|foto: Fotobanka stock.xchng, Stanislaw Rombel

Další kapitola je věnována tajemství kulového blesku. Podle některých hypotéz je kulový blesk koule žhavého plazmatu. Je to vůbec možné? Jak vy sám se k téhle záhadě stavíte?

„Dnes už je naprosto zjevné, že kulový blesk není jen jeden fenomén. Jsou kulové blesky, které souvisí s úderem čárového blesku a vznikají těsně po jeho úderu. Tady bude asi nejblíže k pravdě křemíková hypotéza, že totiž jde o jakýsi reaktivní polymer, který vznikl roztavením křemíkové horniny. Ale určitě existují i jiné typy kulových blesků. Jsou popisovány případy, kdy se za bouřky objevil kulový blesk v kabině letícího letadla, dokonce i mezi pasažéry. Tento typ kulového blesku v žádném případě nemohl vzniknout z křemíku, který je na povrchu Země. Takže minimálně existují dva typy kulových blesků. Asi jich bude i více a právě to je možná důvod, proč jsme tak dlouho nepoznali podstatu kulového blesku. Celé generace fyziků před námi se totiž pokoušeli nacházet jeden jediný mechanismus vzniku kulových blesků a on to v žádném případě jediný jev nebude.“

Plazma, čtvrté skupenství hmoty, je mimo jiné základním stavebním materiálem všech hvězd. Pozemští vědci by velice rádi podobná malá „slunce“ z plazmatu stvořili i ve svých laboratořích. Proč tolik touží spustit na Zemi v malém procesy, které probíhají ve velkém třeba i v našem Slunci?

Modré výtrysky a červené přízraky|foto: NASA/University of Alaska

„Je to dávný sen lidstva mít jakýsi čistý zdroj energie. Víme, že všechny elektrárny, které používáme, ať už tepelné nebo jakéhokoliv jiného typu, přece jen zatěžují životní prostředí. Týká se to i elektráren jaderných, kde to zatížení sice není tak značné, nicméně se musí likvidovat vyhořelé palivo a jsou tam i problémy s možnými haváriemi. Naskýtá se otázka, zda by nešel zopakovat zdroj energie hvězd přímo tady na Zemi. V nitru Slunce i ostatních hvězd se slučuje vodík na hélium a to je reakce, při které se uvolňuje energie. Tato reakce by byla ‚čistá‘, nevzniká při ní žádný závažný ekologický odpad, a navíc by té látky v reaktorech bylo tak malé množství, že by v případě havárie nebo exploze ohrozilo maximálně nějakých 30 - 40 metrů od elektrárny a dál už nic.“

Proč tedy zatím žádné podobné elektrárny nestojí?

„Je to krásná vidina, spoutat termojadernou fúzi tady na Zemi, ale má to závažný problém. Ve hvězdách, v tom termojaderném kotli, dochází ke zmíněné reakci v objemu třeba 100 000 kilometrů, jaksi lineárně. Na Zemi se snažíme tuto reakci zvládnout někdy i jen v objemu centimetrů krychlových, maximálně jsou to krychlové metry. A tady se plazma chová jako klubko háďat, je plné nestabilit, uniká z reaktoru a není to prostě totéž. Sice se často používá slogan ‚Zapálíme slunce na Zemi a vyřešíme energetickou krizi‘, ale tak snadné to není. Plazma v laboratoři má přece jen odlišná specifika, než plazma v nitru hvězdy. Je tady ještě jeden podstatný rozdíl. Ve Slunci začíná reakce sloučením dvou protonů – a to probíhá slabou interakcí, která je nesmírně pomalá. Poločas sloučení dvou protonů ve Slunci je 100 000 roků. Slunce si samozřejmě počká, to je astronomický okamžik. Na Zemi tak dlouho čekat nemůžeme, a tak se nezačíná slučováním dvou protonů, ale třeba od deuteria, a to není totéž jak v objemu, tak i v samotných reakcích. Nesnažíme se je zkopírovat doslova.“

Ve vaší knize Blýskání je také kapitola o hvězdě Betelgeuze, o níž se v poslední době tady u nás na Zemi hodně mluví. Objevují se senzační informace, že právě tato hvězda by mohla způsobit konec světa, který prý má nastat v prosinci roku 2012. Jak je to s hvězdou Betelgeuze doopravdy?

Hvězda Betelgeuze na fotografii Hubbleova teleskopu|foto: NASA, ESA

„Hvězda Betelgeuze je veleobr, který je v absolutně závěrečném stádiu svého života. Je jasné, že skončí grandiózní explozí supernovy, a že je to velice blízko. Z astronomického hlediska. Ta exploze může nastat za rok, ale také za 10 nebo za 100 let. Když si uvědomíme, že Betelgeuze je od nás vzdálena 640 světelných roků, znamená to dvě věci. Za prvé: že k té explozi už pravděpodobně došlo a my jsme se o ní jen nedozvěděli, protože signál k nám teprve letí. A za druhé: že těch 640 světelných roků je tak daleko, že jsme v bezpečné vzdálenosti a výbuch Zemi neohrozí. V každém případě, až hvězda Betelgeuze bude explodovat, bude to nádherné divadlo, na které se určitě všichni astronomové i neastronomové rádi podívají. Bude to také znamenat konec souhvězdí Orionu, protože Betelgeuze tvoří jeho pravé rameno. Po té explozi hvězda za několik týdnů postupně vyhasne, zůstane po ní mlhovina, a my přijdeme o krásné souhvězdí, které máme na zimní obloze.“

Plazmatu je sice na Zemi málo, přesto je dnes, alespoň skrytě, přítomno skoro v každé domácnosti. Plazmové technologie se používají i na místech, kde byste je nejspíš nečekali. Můžete přiblížit, jaké mají využití?

„Většina dnešní populace má doma počítač. V počítači jsou integrované obvody, ty jednotlivé čipy, které byly připravovány plazmovými technologiemi; byly nanášeny v plazmatu. Když si půjdete ukrojit do kuchyně chleba, ukrojíte si ho nožem, který má ostří, jehož vrstva byla nanesena v plazmovém reaktoru. Oblečete si oblek, který odolává povětrnosti – ten oblek opět prošel plazmovým výbojem a byl zušlechtěn tak, aby byl odolný. Pojedete dopravním prostředkem – všechny látky, které jsou na sedadlech, by nevydržely a za chvilku by se roztrhaly, kdyby neprošly plazmovou úpravou. Možná máte doma plazmovou televizi – jednotlivé pixely jsou buňky s plazmovým výbojem. A nebo se stačí v noci projít městem, které je rozsvíceno halogenovými výbojkami; v nich je také plazma. Plazma všude vidíme a setkáváme se s ním.“

Jakým způsobem plazmové technologie zušlechťují materiály?

Tokamak COMPASS-D v Praze|foto: Ústav fyziky platmatu AV ČR

„Plazma je vysoce reaktivní. Pohybují se v něm volné elektrony a proto tam musí být i ionty, kladně nabité atomy. Ty jsou nesmírně reaktivní. Záleží na tom, jaké elektrody jsou v plazmovém reaktoru, ve kterém to plazma vzniklo. Materiál z elektrod se dostává do plazmatu a jestliže do něj vnoříme jakýkoliv předmět, reaktivní ionty na něj usedají a vytvářejí na něm povrchy, které jsou mimořádně přilnavé. Pokud je třeba v plazmovém reaktoru uhlík, můžeme dosáhnout vrstev, které se velice podobají diamantům a povléci povrch předmětů diamantovou vrstvou. Takové experimenty se poprvé dělaly v plazmatu z acetylénu a dneska jsou technologicky velice dobře zvládnuté právě pro řezné a vrtné nástroje, na které se nanášejí tenké plazmatické vrstvy z mimořádně odolných materiálů.“

Studium plazmatu se dynamicky rozvíjí, neustále se objevují nové poznatky. Nemáte strach, že vaše knížka bude už za rok zastaralá a bude nutné udělat nějakou revizi, nové vydání?

„Jsou tam věci, které jsou asi stálé. Určitě ale máte pravdu v tom, že je to bouřlivě se rozvíjející obor a že to bude chtít za několik roků minimálně nějaké pokračování. V tom smyslu bych hlavně připomněl, že v Dolních Břežanech se v nejbližších letech bude stavět největší laser světa. Přestěhuje se tam celá ‚plazmatická komunita‘, špička vědy z celého světa, a jestliže se budeme dočkávat významných objevů, tak budou činěny na půdě České republiky, což je pro nás v tuto chvíli nesmírně dobře. Také ITER, první pokusný plazmový reaktor pro zvládnutí termojaderné fúze, který se bude stavět ve francouzském Cadarache, má desetkrát menší zmenšeninu v tokamaku COMPASS-D, který je provozován v Ústavu fyziky plazmatu v Praze. Tím jsme se také zařadili do absolutní světové špičky ve výzkumu termojaderné fúze. V tomto smyslu bude tedy možná dobře, když ta knížka zastará, protože její pokračování bude o tom, jak plazma funguje v České republice a jak čeští odborníci přispěli k rozvoji fyziky plazmatu světové úrovně.“

Než k tomu ale dojde, budete mít dost času na to, abyste si knihu Blýskání aneb Třináctero vyprávění o plazmatu opravdu důkladně prostudovali. Jejím autorem je astrofyzik Petr Kulhánek z katedry fyziky Fakulty elektrotechnické ČVUT v Praze.

Vysíláno v Planetáriu č. 36/2011, 3. - 9. září.
Přepis: NEWTON Media, a.s., redakčně doplněno a upraveno.

Petr Kulhánek v Planetáriu (výběr):
Nový pohled na Slunce/ FAST – gigant mezi radioteleskopy
Do Číny za zatměním
Jak je těžko v beztíži/ Země se vzdaluje od Slunce
Věda a čas
Hubble a jeho objevy
Hubble a jeho trable
Nová okna do vesmíru
Výlet do "antisvěta"