Od Einsteina k hledání ropy

^FYZIKA - Abstraktní fyzikální experiment vedl k vývoji praktické technologie. Nečekaným vedlejším efektem hledání Einsteinem předpovězených gravitačních vln jsou lepší seismické detektory.

Výzkum a vývoj často nebývají přímočarou záležitostí. Výsledky jsou obvykle nepředvídatelné. Důležité ovšem je, že se obvykle dostaví, a to i v případech, kdy by to málokdo řekl. Tak rozdílné věci jako paměťová pěna, teflon či termofólie vznikly tak trochu jako vedlejší či přímý produkt vesmírného výzkumu NASA. A asi už je zbytečné opakovat, že internet ve své dnešní podobě vznikl v laboratořích evropského výzkumného centra CERN. Méně známé a objektivně řečeno i poněkud méně důležité jsou přínosy v kryptografii, nebo vývoji supravodivých magnetů, které dnes můžeme najít v magnetických rezonancích po celém světě.

Znovu se to potvrzuje i u jednoho z nejambicióznějších fyzikálních projektů současnosti, detektoru gravitačních vln LIGO. Ten v posledních měsících zaznamenal úspěch, který bude velmi pravděpodobně oceněn nějakou Nobelovou cenou, když vůbec poprvé dokázal zachytit gravitační vlny předpovězené na začátku 20. století Albertem Einsteinem.  

Tento génius světové vědy přišel již před sto s myšlenkou, že některé velké kosmické události - třeba srážka dvou černých děr - by mohly znít vesmírem na ohromné vzdálenosti, a to i v kosmických měřítkách. Z Einsteinových rovnic obecné teorie relativity vyplývá, že podobné události vytvoří extrémně silné gravitační vlny, které prostupují hmotou a prostorem.

Teoretici, včetně Einsteina, si nějakou dobu nebyli jistí, zda gravitační vlny opravdu existují, ale nakonec se shodli, že by to tak být mělo. Gravitační vlny vám samozřejmě nebudou na rozdíl od těch elektromagnetických třeba rušit příjem televize nebo vás neoslní, působí na prostor a hmotu v něm. Představte si dlouhou trubici s kruhovým průřezem v prostoru. Pokud na ni začne působit dostatečně silná gravitační vlna, trubice se bude smršťovat či roztahovat podle fáze vlny, její intenzity a směru působení. Pro zajímavost: pokud by se vlna šířila přímo ve směru trubice, její průřez by se pravidelně měnil z kruhového v mírně eliptický.

Einstein ani jeho současníci nepředpokládali, že by se gravitační vlny daly někdy zachytit. Bylo totiž jasné, že jejich efekt je velmi slabý, a tehdejší fyzici si nedokázali představit, že by je bylo vůbec možné zachytit. Než se technologie změnila, trvalo to století.

Jak přesní můžeme být

Premiérový úspěch se podařil loni v září projektu LIGO ve Spojených státech. Tvoří ho dvě kopie stejného experimentu označovaného zkratkou LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, tedy Laserový interferometr pro pozorování gravitačních vln).

Zařízení, která jsou dvě proto, aby moha vzájemně ověřovat svá měření, stojí v amerických státech Washington a Louisiana. Při pohledu ze vzduchu vypadají jako velké písmeno L, ovšem s oběma rameny stejně dlouhými. Jde o vakuové tubusy s délkou zhruba čtyř kilometrů, kterými během experimentu probíhá tam a zpět laserový paprsek. Pokud ovšem experimentem projde gravitační vlna (ideálně ve směru kolmém na obě ramena, tedy kolmo na povrch Země, to je vliv nejsilnější), tak se délky obou ramen zcela nepatrně změní, a oba laserové paprsky se tedy potkají v trochu jiné části své fáze. Výsledný paprsek by tak měl mít jinou intenzitu.

0,0000000000000000000001 m je přesnost detektoru LIGO: mohl by změřit, když se vzdálenost mezi Sluncem a Zemí změní o rozměr jednoho jediného atomu. 

To všechno zní poměrně jednoduše, jedinečnost experimentu LIGO je v jeho přesnosti. Dokáže změny v délce tunelu měřit na rozměry zhruba deset na minus osmáctou metru. To znamená, že dokáže určit, když čtyřkilometrový tubus změní délku řádově o promile průměru jednoho protonu. Asi už chápete, proč si Einstein nedokázal představit, že by se gravitační vlny daly přímo zachytit - nikdo v jeho době nemohl tušit, kolik technologií musí dozrát, aby takového technického výkonu bylo lidstvo schopno.

Co se musí odečíst

Největším problémem měření přitom není ani tak přímo určit délku tunelu, ale jak odečíst šumy. Jde o tak zjevné věci jako průjezd auta po blízké silnici, tepelný pohyb zrcadla nebo projevy některých kvantových jevů. Třeba země se sice s výjimkou zemětřesení nechvěje tak, abychom to my přímo cítili, ale její pohyby jsou neustálé a v porovnání s efekty gravitačních vln velmi silné. Jde o takzvané seismické pozadí a vytváří jej nejen pohyb vozidel, lidí či zvířat, ale také vítr nebo mořské vlny. Posledně zmíněné je kupodivu i vnitrozemský problém: LIGO mohou rušit i slabé dozvuky pohybu mořské vody, které se v přípovrchových vrstvách zemské kůry nesou na tisíce kilometrů.

Šumu se tedy nelze vyhnout, nebo se před ním schovat, ale pokud ho dokážete změřit, je možné jej snadno odečíst od naměřených výsledků a dobrat se toho, zda v měřeních není náhodou skryto také něco zajímavějšího.

Uděláme si vlastní

Na experimentu LIGO se měření seismických vlivů věnovala velká skupina, do které patřil od roku 2006 i Holanďan Johannes van den Brand. Reportérům dnes říká, že ho na projekt nalákala a pak na něm přinutila zůstat příležitost změnit sci-fi na realitu. Zřejmě na tom něco bude, protože v roce 2009 strhl i svého známého holandsko-novozélandského inženýra Marka Bekera. Společně pracovali právě na přesném měření velmi slabých seismických signálů v okolí detektoru.

Společnost založená fyziky z LIGO zkouší senzory, které jsou zjednodušeně řečeno o řád lepší než ty současné.

Van den Brandův a Bekerův tým proto potřeboval umístit kolem LIGO hustou síť seismických senzorů, a to ideálně samozřejmě levných a jednoduše použitelných – vědecký experiment není ropná společnost s miliardami na účtu, navíc nemá s terénními pracemi tolik zkušeností. Fyzikové evidentně nebyli s nabídkou na trhu spokojeni, a tak využili toho hlavního kapitálu, který LIGO a podobné velké vědecké kolaborace mají – lidského kapitálu. Navrhli a nechali vyrobit vlastní malé seismické detektory, které detektoru gravitačních vln posloužily při jeho historickém úspěchu. A to jim otevřelo cestu k ropě.

Svou práci prezentovali na seminářích, konferencích i v odborných pracích, a tak si jich také všiml Wim Walk, fyzik ve službách Shellu. Jako každá jiná firma z oboru, tak i Shell pracuje se seismickými údaji neustále. Seismický průzkum se používá k hledání nových zásob i ke sledování probíhajících prací, a tak firmy neustále hledají vhodné nové technologie a partnery.

Walk se rozhodl Bekera a van den Branda vyzkoušet pro měření právě mikrootřesů vznikajících při vrtech v německém Groningenu. Kontrakt měl oběma vědcům z LIGO dát příležitost senzory vylepšit a připravit do nasazení, Shell pak výměnou měl mít k technologii zjednodušený přístup.

Menší a jednodušší

Zatím ještě nevíme zcela jistě, zda se firmě sázka vyplatila, ale vypadá to nadějně. Společnost obou fyziků z LIGO, nazvaná Innoseis, dnes ve spolupráci s Shellem zkouší senzory, které jsou zjednodušeně řečeno o řád lepší než nejprodávanější současné modely. Senzor je rovněž zhruba o řád lehčí – místo kilogramů váží stovky gramů (údajně zhruba 500 gramů). Má také o řád nižší spotřebu energie, a to hlavně díky chytrému softwaru.

Senzory jsou přitom stavěny jako všechna podobná zařízení tak, aby byly odolné vůči extrémním teplotám i fyzickému poškození. Podobně jako novinky od konkurence využívají hlavně bezdrátové komunikace – dříve se hojně používaly kabely, ale bez nich je celý postup samozřejmě levnější a jednodušší (pokud se tedy podaří vyřešit bezpečnost a napájení, na čemž Innoseis právě pracuje). Ve výsledku by tedy měly umožnit, aby seismický průzkum probíhal výrazně rychleji a levněji. Dnes není ještě jasné o kolik, ale možné úspory podle všeho mohou být výrazné.

Zařízení Innoseisu nepředstavuje úplný technologický převrat, protože používá z velké části známé a ověřené technologie. Navíc konkurence samozřejmě nespí a pracuje na podobných projektech, ve kterých využívá stejné trendy (snižování spotřeby, wi-fi). Možná, že firma nakonec neuspěje a převezmou ji jiní, ale možná také ne – zatím však má dobrou pozici. A při tom všem ukazuje, jak snaha změnit sci-fi v realitu nakonec může vyústit ve velmi reálnou ekonomickou úsporu.  

(spe)