Pozor! Používáte zastaralý prohlížeč, stránka se nemusí zobrazovat správně. Aktualizujte jej a zlepšete tak svůj uživatelský zážitek.

Matfyz.cz

Aktuality z fyziky XII

Zdá se pravděpodobné, že pokud by vyspělá mimozemská civilizace skutečně existovala, zajímala by ji fyzika stejně jako nás. Asi by také potřebovala urychlovače, které dodávají částicím velmi vysoké energie. (foto Freeimages)

Dali byste si dnes trochu sci-fi? Ono ale není jisté, jestli je to skutečně jen sci-fi, nebo i trochu realita. Po přečtení první aktuality posuďte sami. Od sci-fi se potom vrátíme z vesmírných dálav na zem k tak obyčejné věci, jako je led, a abychom rovnoměrně rozdělili oblasti obecného zájmu, přidáme jeden výsledek čistě praktický.

Staví si mimozemské civilizace kosmické urychlovače v blízkosti černých děr?

Postavila si vyspělá mimozemská civilizace urychlovač částic, napájený energií černé díry, aby mohla studovat fyziku v Planckově škále? A pokud je takový urychlovač až někde v koutě vesmíru, můžeme ho detekovat na Zemi? (Pro připomenutí: Planckovy škály jsou charakteristické rozměry, které získáme kombinací fundamentálních konstant, tj. gravitační a Planckovy konstanty a rychlosti světla. Planckova energie je 1019 GeV.) Brian Lacki z Princetonu a Paul Davies z Arizony napsali na toto téma článek pro zvláštní číslo časopisu Physics World věnované „tajuplné fyzice“.

Lacki provedl výpočty, které napovídají, že pokud by takový urychlovač existoval, produkoval by neutrina o energii Yotta eV (YeV je 1024 eV), která by mohla být detekovatelná na Zemi. Vyzývá všechny astronomy, kteří se účastní programu SETI (Search for Extra-Terrestriel Intelligence, vyhledávání mimozemských civilizací pomocí zachycování rádiových komunikací), aby se pokoušeli hledat částice s mimořádně velkou energií.

Zdá se pravděpodobné, že pokud by vyspělá mimozemská civilizace skutečně existovala, zajímala by ji fyzika stejně jako nás. Asi by také potřebovala urychlovače, které dodávají částicím velmi vysoké energie. My víme, že strašidlem částicové fyziky jsou energie mezi TeV oblastí Standardního modelu a 1028 eV Planckovy škály, kde je už velmi silný kvantový efekt gravitace.

Kruciálním problémem stojícím před mimozemskými fyziky by bylo to, že hustota elektromagnetické energie potřebné k dosažení Planckovy škály je tak velká, že zařízení by bylo ohroženo kolapsem do vlastní černé díry. Lacki ovšem tvrdí, že šikovný konstruktér by dokázal tento problém obejít a že dosažení Planckovy energie je technicky možné, i když pochopitelně extrémně obtížné.

Nikoho nepřekvapí, že by takový urychlovač musel být obrovský. Pokud by pro urychlování bylo použito elektrické pole, musel by mít příslušný urychlovač rozměry alespoň desetkrát větší, než je průměr Slunce (co jsou proti tomu v našich očích obrovské urychlovače o průměru řádově desítek kilometrů!). Poněkud menší by byl urychlovač využívající magnetické pole – i když žádný nám známý materiál by nemohl tak silné elektromagnetické pole vydržet. Jenže ve vesmíru je několik míst, kde by tak vysoká hustota energie mohla existovat. Jde například o blízké okolí černých děr. Takže proč takovou černou díru nezapřáhnout do práce a nevytvořit z ní urychlovač pro energie Planckovy škály.

Částice srážející se při energiích rovných Planckově energii jsou ale jen polovinou problému. Lacki vypočítal, že převážná většina srážek by nebyla pro mimozemské fyziky zajímavá. Aby dostali užitečné informace o fyzice v Planckově škále, odhaduje, že by celková rychlost srážek musela být 1024krát větší než v našem současném Large Hadron Collideru v CERN. Urychlovač, který by poskytl informace o „Planckových událostech“, by vytvářel obrovské množství vedlejších produktů či „znečištění“. Tímto znečištěním by mohly být částice s extrémně vysokou energií, které by principiálně mohly zasáhnout Zemi. Je pravděpodobné, že stavitelé kosmických urychlovačů by se – stejně jako na Zemi – snažili ochránit okolí před škodlivou radiací. A tak se dá usuzovat, že jedinými částicemi, které by byly schopny zasáhnout Zemi, jsou neutrina. Neutrina totiž nemají elektrický náboj a mají téměř nulovou hmotnost. Neutrina vzniklá v hypotetickém kosmickém urychlovači by byla dokonce i snadněji detekovatelná, protože silněji interagují s hmotou. Z výpočtů vyplývá, že většina takových neutrin, procházejících pozemskými oceány, by předala svou energii ve formě spršky sekundárních částic. Protože ale oceány nejsou vhodné pro detekci světla z takových spršek, navrhuje Lacki, aby se nedetekovalo světlo, ale zvuk, a to sítí hydrofonů ve vodě. Taková neutrina by byla jistě velmi vzácná. Odhaduje se, že naději na úspěch by měla pouze síť s nejméně 100 000 hydrofony (hydrofon slouží k odposlouchávání a nahrávání různých zvuků pod mořem). Jinou možností, i když méně citlivou, je použít jako detektor neutrin Měsíc.

Ačkoliv by zachycení neutrin s tak vysokými energiemi neznamenalo přímý důkaz existence kosmických urychlovačů, v každém případě by to pro dnešní fyziku znamenalo důležitý krok vpřed.

Pro nás je s naší úrovní znalostí velmi těžké určit, proč by taková vyspělá civilizace chtěla stavět urychlovač pro energie v Planckově škále. Mohlo by jít o nastolení podmínek raného vesmíru nebo jiných exotických prostoro-časových útvarů. Třeba by tato hypotetická civilizace byla schopna rozeznat nějaké ohrožení z vesmíru. Jaké? O tom nelze ani spekulovat. Mohly by to být i hrozby, na které naše znalosti zatím nestačí, a tak si klidně žijeme v blažené nevědomosti.

Led s pravoúhlou čtverečnou krystalickou mřížkou

Britští, němečtí a čínští vědci přišli na to, že voda mezi dvěma vrstvami grafenu mrzne při pokojové teplotě ve formě 2D čtvercových krystalů ledu. Voda může existovat ve formě kapaliny, páry a ledu. Hexagonální krystalická struktura ledu je zodpovědná za tvar sněhových vloček a za složité, téměř umělecké výtvory, které se tvoří za mrazu na různých površích.

Méně patrná ale všudypřítomná je voda na různých rozhraních a v mikroskopických pórech. Ve skutečnosti pokrývá monovrstva vody všechny povrchy kolem nás – dokonce i v těch nejvysušenějších pouštích – a vyplňuje všechny mikroskopické trhliny, například ve skalách. O struktuře a chování takových mikroskopických množství vody, zvláště pokud je tato skryta v kapilárách hluboko v materiálu, víme zatím velmi málo. Nově objevený ledový film, který je tenčí než jeden nanometr, má zcela odlišnou krystalickou symetrii než normální led s hexagonální krystalickou mřížkou. Tvoří se při teplotě o hodně vyšší, než je normální teplota mrznutí vody. Potvrdil to mimo jiné i Andre Geim, který je spoludržitelem Nobelovy ceny z roku 2010 za objev grafenu.

Strukturu vody uvnitř průhledné nanokapiláry, tvořené dvěma vrstvami grafenu, sledovali fyzici elektronovým mikroskopem. Grafen je vrstva uhlíkových atomů o tloušťce jediného atomu, a tak zobrazení elektronovým mikroskopem neruší. Díky silné adhezi mezi grafenovými vrstvami, které tvoří nanokapiláru, může tlak uvnitř dosáhnout až hodnoty 1 Gpa, což je důležitý faktor při přechodu vody z kapalné do pevné fáze. Velkým překvapením bylo, že když byly grafenové kapiláry dostatečně úzké a vrstvu vody tvořily maximálně tři molekuly, bylo možno pozorovat malé čtvercové krystaly ledu už při pokojové teplotě. Čtverce jsou rovnoměrně umístěny v řadách a řady jsou vzájemně kolmé. Takové plošné uspořádání je zcela neobvyklé pro objemový led, kde jsou molekuly vždy uspořádány do malých pyramid.

Počítačovou simulací se fyzici také pokusili zjistit, jak častý je výskyt ledu se čtvercovou strukturou v přírodě. Výsledky ukazují, že pokud je vrstva dostatečně tenká, voda tvoří led s pravoúhlou strukturou nezávisle na chemickém složení stěn kapiláry. Je tedy pravděpodobné, že pravoúhlá čtvercová struktura ledu je na molekulární úrovni velmi obvyklá a vyskytuje se ve všech mikroskopických trhlinách nebo pórech nejrůznějších materiálů.

Nové poznatky mohou být důležité pro pochopení pravidel pro pohyb vody přírodními i umělými nanokanálky a také pro objasnění zdánlivě protismyslného chování vody v těchto nanokanálcích. Důležitý je z tohoto hlediska na příklad akvaporin, což je velmi rozšířený protein, který má uprostřed kanálek a který reguluje průchod vody membránami buněk. Významné jsou také různé aplikace uhlíkových nanotrubic. Objev by mohl mít význam i pro vývoj účinnějších filtračních, odsolovacích a destilačních technologií.

Elektrody zhotovené z nanodrátů mohou vést k lepším superkondenzátorům

Superkondenzátory mají na rozdíl od běžných kondenzátorů velmi velkou kapacitu a jsou schopny rychle akumulovat a následně odevzdat velké množství energie. Nový typ elektrod, který by mohl vést k vývoji účinnějších a lehčích superkondenzátorů, objevili fyzici z Indie a USA. Elektrody nají novou, hybridní strukturu, která se skládá z niklových a železných nanodrátů a má podle svých tvůrců schopnost zvyšovat kapacitu, proudovou hustotu a rychlost nabíjení a vybíjení kondenzátorů. Elektrody jsou levné a jejich výroba je šetrná k životnímu prostředí.

Superkondenzátory skladují energii separováním kladného a záporného náboje pomocí elektrochemické reakce, jejíž částí je výměna elektronů a iontů na rozhraních mezi oběma elektrodami a elektrolytem. Tyto prvky v sobě kombinují schopnost baterií uchovávat velké množství energie a krátké doby nabíjení a dlouhé trvanlivosti konvenčních kondenzátorů. Principiálně mohou být superkondenzátory využity ke konstrukci automobilů na elektrický pohon, které mohou být nabity během několika minut, a třeba mobilních telefonů, jejichž nabití trvá pouze několik sekund. Jenže dnešní superkondenzátory jsou mnohem větší a těžší než baterie, které dokáží uskladnit stejné množství energie.

Nové elektrody, které vymysleli fyzici z Kalkaty, mají dvě nanostrukturní části. Jsou to vodivé jádro ze směsi železa a niklu a hybridní skořápka z vrstev železo – oxid – nikl – oxid. Elektrody se vyrábějí ve dvou krocích: V tom prvním se vyrobí svazek železo-niklových nanodrátů depozicí do porézní šablony z oxidu hliníku. Když se šablona opět rozpustí, jsou nanodráty dočasně vystaveny působení kyslíku při 450oC. Tím se okolo jádra z niklu a železa vytvoří železo-oxid-nikl-oxidová porézní hybridní skořápka. Výhodou této hybridní nanostruktury je, že vysoce porézní povrchové nanostruktury zajišťují velkou plochu povrchu pro redukčně-oxidační reakce a zmenšují vzdálenost pro difúzi iontů. Vnitřní železo-niklové jádro zajišťuje vysoce vodivou dráhu pro transport elektronů ke kolektoru proudu. Fakt, že je nová elektroda členěná, navíc znamená, že není potřeba žádný spojovací materiál mezi aktivním materiálem a vlastní elektrodou, což umožní snížit celkovou váhu superkondenzátoru.

Základní testy ukazují slibné výsledky. V porovnání s nehybridními elektrodami zajišťuje nová koncepce daleko vyšší schopnost udržovat náboj. Také rychlost nabíjení a vybíjení je daleko vyšší a udrží až 95 % počáteční kapacity po 3 000 nabíjecích/vy­bíjecích cyklů. Teď se fyzici věnují různým provozním zkouškám, při kterých zkoumají teplotní stabilitu a provozní výkon. Kompletní superkondenzátor s hybridními elektrodami by měl být pro praxi k dispozici během 8 – 10 měsíců.


Další díly:

Aktuality z fyziky XVII
Aktuality z fyziky XVI
Aktuality z fyziky XV
Aktuality z fyziky XIV
Aktuality z fyziky XIII
Aktuality z fyziky XI
Aktuality z fyziky X
Aktuality z fyziky IX
Aktuality z fyziky VIII
„Top ten“ fyziky v roce 2014
Aktuality z fyziky VII
Aktuality z fyziky VI
Aktuality z fyziky V
Aktuality z fyziky IV
Aktuality z fyziky III
Aktuality z fyziky II
Aktuality z fyziky I

Další obrázky
comments powered by Disqus

Matfyz.cz

Univerzita Karlova
Matematicko-fyzikální fakulta
Ke Karlovu 3
121 16  Praha 2
IČ: 00216208
DIČ: CZ00216208
web fakulty
studuj na Matfyzu
e-shop