Garching u Mnichova jako centrum inovací: nevyčerpatelná energie z jaderné fúze i vývoj kvantových počítačů

Musím říci, že jsem se těšil – několik mých spolužáků z Matematicko-fyzikální fakulty tam pracovalo nebo pracuje, Univerzita i Akademie věd udržují s tamními institucemi dlouhodobou spolupráci. Je to příklad úspěšné evropské spolupráce, kromě Čechů zde narazíte na příspěvky Slováků, Francouzů, Finů a řady dalších.

Prvním z cílů byl Institut Maxe Plancka pro fyziku plazmatu. Institut je znám tím, že tu provozují tokamak ASDEX Upgrade, jedno z větších zařízení pro jadernou fúzi. Jaderná fúze je proces, kdy sloučáváním lehčích jader (např. deuteria a lithia) vzniká těžší jádro a energie. Evropská unie tento výzkum (spolu)financuje, protože se předpokládá, že jaderná fúze by mohla sloužit v budoucnu jako prakticky nevyčerpatelný a bezpečný zdroj energie. Narozdíl od jaderného štěpení (které se využívá v tradičních jaderných reaktorech) totiž v podstatě nevytváří jaderný odpad. I přímé rozbití fúzního reaktoru by nenadělalo o moc víc škody než rozbití velké plazmové výbojky.

Problém je takový reaktor postavit. Plazma musí být stlačené, zahřáté na teploty stovek milionů stupňů, aby reakce probíhala, a musí v tomto stavu vydržet dostatečně dlouho – přičemž ho je třeba udržet pomocí magnetického pole, protože žádný materiál by kontakt s ním nevydržel. Turbulence, proudy indukované v takovém plazmatu a s nimi spojená magnetická pole, řeší zvláštní vědní obor – magnetohydronamika. Ale kromě pochopení jejích zákonitostí vyžaduje zvládnutí jaderné fúze vyvinutí i velmi odolných materiálů pro komoru reaktoru, supravodivé cívky, výkonného chlazení a zařízení na ohřev plazmatu.

V současnoti dokážeme udržet horké plazma desítky vteřin, nicméně pro komerční využívání jaderné fúze to stále nestačí. Proto se ve Francii staví mnohonásobně větší, mezinárodní tokamak ITER. Jde o druhý největší mezinárodní vědecký projekt všech dob (po ISS), přičemž Evropská unie financuje zhruba polovinu nákladů. První plazma by měl vytvořit v roce 2025. Ačkoli má ITER umět vyrobit cca 10x více energie, než kolik se spotřebuje na ohřev, je hlavním cílem vyvinout a vyzkoušet technologie, které jsou pro provoz fúzního reaktoru potřebné.

V Evropském parlamentu je ITER občas předmětem sporů – očekávané náklady jsou srovnatelné s cca polovinou státního rozpočtu ČR a některým kolegům to připadá mnoho. Pořád si ale myslím, že má smysl ho obhajovat – peníze vydávané do evropského výzkumu a rozvoje nejmodernější části evropského průmyslu vytvářejí know-how, které Evropě zajišťuje technologické prvenství.

Druhým místem, kterém jsem navštívil, je institut Walthera Meißnera pro výzkum nízkých teplot. Studoval jsem na Katedře fyziky nízkých teplot, takže jméno objevitele stínění magnetického pole v supravodičích mi nebylo neznámé. Po válce vybudoval jedno z největších pracovišť pro studium fyziky nízkých teplot. V současnosti je to jedno z center rozvoje kvantových počítačů.

Velmi zjednodušeně řečeno – kvantové počítače, narozdíl od klasických, které „znají jen 0 a 1“ (1 bit), používají i všechny hodnoty mezi nimi (1 qubit). Celý matematický aparát kolem toho je trochu složitější, ale umožňuje teoreticky řešit různé úlohy rychleji než klasické. Zatímco klasický počítač totiž zkouší možnosti „jednu po druhé“, kvantový počítač může při jednom výpočtu vyzkoušet „všechny naráz“. Proto jejich výzkum přitahuje mnoho pozornosti – jde třeba o šifrování. Řada technologií prostě využívá toho, že nějakou matematickou úlohu nelze vyřešit klasickým počítačem dostatečně rychle.

Jedna věc je skoro jistá – nikdy nebudete nosit kvantový počítač v kapse. Aby kvantové efekty přetrvaly a byly pozorovatelné, je třeba kvantový počítač velmi dobře izolovat od okolí. Sebemenší tepelná fluktuce, ionizující záření či náraz molekuly dokáže informaci v nich uloženou zničit. Proto se tyto systémy chladí na teploty velmi blízké absolutní nule – evakuují se a izolují od světa. Vedle zvláštní algebry, která popisuje jejich fungování, tak vyžadují i vakuové inženýrství, fyziku tenkých vrstev, kryogenní technologie a další náročné moderní obory.

Garching má to štěstí, že se tu setkává toto know-how. Kromě fyziků a matematiků zapojených ve výzkumu jsou tu vývojové dílny, které vyrábějí vlastní experimentální zařízení. Vedle výzkumných zařízení je tu třeba i start-upový inkubátor. Chcete-li tedy založit firmu, která by v tomto oboru chtěla podnikat, můžete tu získat prostory, které doslova sousedí s výzkumnou institucí, a počáteční kapitál na rozvoj. Kontakt s vědci a inženýry, kteří pracují na základním výzkumu, je tak zaručen. Upřímně si myslím, že místo pumpování evropských peněz do pěstování řepky a podobných nesmyslů bychom je měli dát na rozvoj technologických parků, jako je tento.

Debata s výzkumníky pochopitelně nemohla vynechat „hlavní konkurenty“. Podobně jako ve fyzice plazmatu byly zmiňovány hlavně USA a Čína (Rusko moc ne). USA jelikož se odtamtud řada výzkumníků vrátila, protože „podmínky už nejsou tak příznivé“ a výzkum přebírají soukromé firmy (Google atd.). Číňané jsou zase známí tím, že nabízejí evropským vědcům možnosti přednášet, dobře placené pozice, výměnné pobyty atp. A také tím, že se náhle objeví zástupce jakési polostátní firmy a z ničeho nic odkoupí úspěšný evropský start-up, který vyvinul novou zajímavou technologii. Protože zatímco v samotné kvalitě vědeckých výsledků Evropa drží krok, v množství peněz investovaných do vývoje a získávání nových technologií začínáme zaostávat.

Upřímně si myslím, že pokud je něco ohrožením evropské civilizace, tak právě takové technologické zaostávání. A místo nesmyslných debat o migrantech a tradičních rodinách bychom se měli soustředit na rozvoj technologií, protože jinak nám opravdu ujede vlak.