Lasery i fuzja (2)

Utworzono: czwartek, 27 luty 2020 Anna Leszkowska Drukuj E-mail

 

jank.3 1Powracając do naszej historii laserów, ważną do odnotowania datą jest 31 marca 1965, kiedy w Komitecie Nauki i Techniki odbył się pokaz urządzeń laserowych: rubinowego koagulatora i mikrodrążarki laserowej. Wynikiem zainteresowania się decydentów z PAN i KNiT techniką laserową w Polsce była decyzja o przyznaniu finansowania jej dalszego rozwoju ze środków centralnych. W rezultacie powstał pierwszy centralnie finansowany program (Problem Węzłowy 06.2.3. „Rozwój badań, opracowanie konstrukcji i budowa urządzeń laserowych”) poświęcony rozwojowi techniki laserowej w Polsce. Był on koordynowany przez WAT, ale grono osób odpowiedzialnych za tworzenie jego tematyki, kontrolę postępu badań i rozliczanie wyników merytorycznych reprezentowało wszystkie zespoły badawcze biorące udział w programie oraz zleceniodawcę, którym był KNiT.

Uczestniczyłem we wszystkich tych gremiach i nie mam wrażenia, aby było to towarzystwo wzajemnego popierania i akceptacji. Rozliczenia były rzeczowe, dyskusje merytoryczne, ale jednocześnie nacechowane chęcią wzajemnej pomocy i współpracy. To wtedy nawiązały się pomiędzy wieloma spośród nas przyjaźnie, które czasem trwają do dziś, chociaż wielu z nas niestety już nie ma.
Współpraca pomiędzy zespołami głównie WAT, Politechniką Warszawską, Uniwersytetem A. Mickiewicza w Poznaniu, później Uniwersytetem M. Kopernika w Toruniu, Uniwersytetem M. Curie-Skłodowskiej w Lublinie oraz Politechniką Białostocką zaowocowała organizacją konferencji naukowych poświęconych rozwojowi badań w tej dziedzinie oraz powołaniem Polskiego Komitetu Optoelektroniki przy SEP. Konferencje były forum wymiany informacji i oceny wyników prowadzonych badań, zaś PKOpto (Polski Komitet Optoelektroniki) miejscem, gdzie między innymi odbywały się gorące dyskusje, opracowywane były koncepcje rozwojowe i tematyka badań w kolejnych programach badawczych.

Technika laserowa ma cechy podobne do elektroniki czy informatyki – jest uniwersalną techniką usługową, wspomagającą inne dziedziny. Szczególnie przydatna okazuje się w medycynie (okulistyka, mikrochirurgia powierzchniowa i w jamach ciała, biostymulacja i inne), metrologii (szczególnie do analizy składu materiałów, pomiarów wielkości geometrycznych itp.), ale także w obróbce materiałów (spawanie, cięcie, odparowanie). Powinno to sprzyjać i sprzyjało powstawaniu ich przemysłowego wykorzystania.

Odwiedzając wystawy towarzyszące konferencjom naukowym, obserwowałem w wielu krajach powstawanie niewielkich firm, które szybko rozrastały się i bogaciły. Bardzo często ich twórcami i właścicielami byli pracownicy nauki, którzy opracowali pewne urządzenia czy ich części składowe w uczelniach, a następnie przechodzili do biznesu. Znałem kilku z tych panów, że wspomnę tu jedynie profesora Georgesa Breta, twórcę działającej we Francji firmy Quantel. Odwiedziłem ją na początku lat siedemdziesiątych, gdy mieściła się w domku jednorodzinnym i dość dużym garażu. Znana była jednak na całym świecie z wytwarzania w tych warunkach niezłych laserów ciała stałego w różnych konfiguracjach materiałowych i parametrowych.
U nas takie przypadki początkowo zupełnie się to nie zdarzały. Nie było klimatu dla rozwoju prywatnego przemysłu (nawet hi-tech) i chyba także możliwości finansowych. Później zdarzały się, ale niezbyt często. Ja znam nieliczne przypadki polskich firm, które od dość dawna utrzymały się i działają na globalnym rynku: dr. Janusza Rzepki z Wrocławia, dr. Lecha Boruca oraz profesorów: Ludwika Pokory i Krzysztofa Chrzanowskiego z Warszawy.

Zwierciadlany efekt

Osobiście uważam, że otrzymałem dość solidne wykształcenie inżynierskie i mimo zatrudnienia w wyższej uczelni (jednak typu politechnicznego) niechętnie odnosiłem się do prowadzenia badań ukierunkowanych na tzw. „czystą naukę”, niezwiązaną z możliwością praktycznego wykorzystania jej wyników. Takie tendencje wtedy istniały w naszym kraju, szczególnie w zespołach uniwersyteckich i instytutach PAN. Niestety, moja dysertacja dotycząca maserów, im była bliżej zakończenia, tym mniej wskazywała na jej przydatność do celów wojskowych, co wynikało z ograniczonych możliwości zastosowań maserów.

Inaczej rokowały lasery. Jeszcze przed zakończeniem dysertacji pojawiło się zainteresowanie naszych władz laserowymi pomiarami odległości do pojazdów kosmicznych. Były to lata, gdy typowych satelitów laserowych jeszcze nie było, chodziło raczej o pomiary odległości do strategicznych balonów rozpoznawczych. Najważniejsze było jednak to, że nasze szefostwo badań i rozwoju gotowe było prace w tym zakresie finansować.
Przypadło mi rozpoznanie tego tematu. Rozpocząłem od sprawdzenia możliwości wykonania sferycznego zwierciadła do odbiornika. Jego średnica powinna być duża – na ile to możliwe w naszych warunkach. Po pomoc udałem się do znanych specjalistów z optyki do Wrocławia, profesorów: Zygmunta Bodnara i Mirona Gaja. Prof. Bodnar chyba wtedy był już szefem Instytutu Fizyki Technicznej, a na pewno kierownikiem Zakładu Optyki Stosowanej. Nie mogłem trafić lepiej. Prof. Bodnar wcześniej pracował w Państwowej Wytwórni Optycznej w Jeleniej Górze, gdzie można było wytopić odpowiednich rozmiarów taflę szkła i ją obrobić. Na dodatek mogli się tego podjąć emerytowani, byli pracownicy wytwórni. To zadziwiające, ale oni naprawdę chcieli to zrobić.
Profesor praktycznie zaprojektował ten teleskop według uzgodnionych wymagań i dopomógł mi przebrnąć przez wszelkie formalności. Dzięki jego pomocy powstało zwierciadło sferyczne o średnicy ok. 55 cm. Większe nie mogło być. Zwierciadło nie zmieściłaby się do napylarki, którą dysponował prof. Bodnar. Ja jedynie zorganizowałem to wszystko od strony WAT i zapłaciłem za wykonanie tych prac pieniędzmi naszych zleceniodawców. Zapewniam jednak, że były one niewspółmierne z tymi, które należałoby wydać (w dewizach) na zakup zwierciadła tych rozmiarów. Nie wiadomo zresztą, czy chciano by nam je sprzedać.

Wkrótce temat przestał interesować nasze (wojskowe) służby techniczne i dalsza jego realizacja została wstrzymana. Może i lepiej, gdyż wykonawstwo innych podzespołów urządzenia nie rysowało się już tak dobrze. Po temacie pozostało w IOE WAT sferyczne zwierciadło, chyba największe, jakie w kraju kiedykolwiek zostało wykonane. Wykorzystywane było wielokrotnie do różnych celów, chociaż niewielu wie, skąd się wzięło. Zastanawiam się, czy dziś udałoby się tej sztuki dokonać?

Laserowa synteza termojądrowa

Czas przejść do tematyki, która odegrała w moim życiu ważną rolę, chociaż znów ze względu na brak bezpośredniego związku z praktyką, nie do końca satysfakcjonującą. Najbardziej boli fakt, że ten okres mojej pracy (1968 – 1975), kiedy kierowałem Zespołem III „Laserów dużej mocy i energii” w ramach badań prowadzonych przez prof. Sylwestra Kaliskiego nad laserową syntezą termojądrową, został praktycznie wykreślony z historii prac nad laserami w WAT. Jedyny istniejący dokument opisujący historię rozwoju laserów w WAT (IOE – Instytut Optoelektroniki, 1951- 2011, 60 lat Wojskowa Akademia Techniczna) wyniki tam uzyskane bagatelizuje, a nawet pomija. Także postać Komendanta WAT Sylwestra Kaliskiego przedstawiona została w nieprawdziwym, niekorzystnym świetle.*

Warto podjąć próbę uzasadnienia podjętej wtedy przez Sylwestra Kaliskiego tematyki. Laserowa synteza (fuzja) nie była jakąś jego fanaberią. Ta idea powstała i towarzyszyła laserom od samego początku. Na taką możliwość pierwszy zwrócił uwagę Gordon Gould. W wywiadzie (udzielonym w 1984 roku pismu „Laser and Application”) powiedział: „W moim pierwszym notatniku napisałem: moce, jakie będzie można osiągnąć przy użyciu odpowiednich ośrodków laserowych, będą mogły ogrzać obiekt do temperatury stu milionów stopni. Możliwe będzie zapoczątkowanie syntezy termojądrowej”.
Podobną opinię, chociaż nieco ostrożniejszą, również w wywiadzie dla tego samego pisma dał twórca pierwszego masera Ch. Townes: „Jestem obecnie przekonany, że lasery są jednym ze sposobów uzyskania fuzji. Ale czy będzie to najlepszy sposób, tego nie wiem. No i jeszcze nie wiadomo, czy koszt zbudowania siłowni, która wykorzystywałaby fuzję, będzie porównywalny z innymi źródłami energii. Jest to całkiem możliwe, ale sadzę, że realizacja tego programu wymaga okresu co najmniej 20 lat; myślę też, że nie powinno to zająć więcej czasu”.
Jeżeli dodatkowo wziąć pod uwagę oceny Johna Nuckollsa, który przewidywał, że do uzyskania temperatur syntezy wystarczy energia rzędu kilodżula w impulsie nanosekundowym, nie należy się dziwić, że idea laserowej syntezy rozpaliła wyobraźnię uczonych na całym świecie.

Kontrolowana synteza termojądrowa była drogą, która praktycznie rozwiązywałaby wszystkie problemy energetyczne naszej cywilizacji. Wszystkie kraje, które dysponowały dostatecznie rozwiniętą techniką laserową, przystąpiły do badań nad fuzją. Głównie były to Stany Zjednoczone i ZSRR, ale nie tylko. Zespoły zajmujące się tematyką laserowej syntezy powstawały we Francji, Niemczech, Anglii, Japonii, no i oczywiście w Polsce.
W naszym kraju, jak wiadomo, pierwsze lasery zbudowano w 1963 r., zaledwie trzy lata po Stanach Zjednoczonych. Uznane to było za duży sukces, a technika laserowa, jak na nasze warunki, rozwijała się szybko. Większość prac powstawała w WAT. Przypadło to na lata, gdy prof. S. Kaliski był zastępcą ds. naukowych komendanta lub (po roku 1967) komendantem WAT. Sądzę, że również jego, podobnie jak innych, urzekła idea laserowej syntezy. Z jednej strony, była to tematyka odpowiadająca jego ambicjom naukowym, z drugiej chciał, by Polska, WAT, wniosła, jak wierzył, jak największy wkład w dzieło o tak dużym globalnym znaczeniu.

Ambicje młodej uczelni

Tu pozwolę sobie na małą dygresję. WAT była młodą uczelnią. O takich cechach jak tradycja, renoma, autorytet nie mogła marzyć. Wielkiej pomocy tej uczelni udzieliła Politechnika Warszawska, a właściwie jej profesorowie, zgadzając się prowadzić w pierwszym okresie istnienia WAT większość specjalistycznych wykładów. Jako student WAT w tym czasie byłem tego świadkiem. Osobiście jestem im za to bardzo wdzięczny. Uważam, że wiedzę, jaką ze studiów wyniosłem, w większości im zawdzięczam.
W 1956 roku protesty robotnicze w Poznaniu i Warszawie (FSO) spowodowały opuszczenie przez większość oficerów Związku Radzieckiego stanowisk w Wojsku Polskim. Opuścili je także w WAT. Kaliski był pierwszym polskim oficerem (nie licząc organizatora uczelni, aresztowanego w 1951r., gen. Floriana Grabczyńskiego), który otrzymał awans generalski i zajął w 1966 r wysokie stanowisko zastępcy Komendanta WAT ds. naukowych.
Jego działania jako prorektora ds. nauki, a po 1967 r. jako rektora, należy ocenić wysoko i uznać za początki procesu tworzenia autorytetu naukowego Wojskowej Akademii Technicznej jako wyższej szkoły politechnicznej. Powołał do życia Wydział Fizyki Technicznej, gdzie studiowali wybierani, najzdolniejsi studenci, by następnie zasilać głównie wojskowe instytuty badawcze i uczelnie, w tym WAT. Dbał o poziom wykonywanych dysertacji, uczestniczył osobiście we wszystkich obronach prac doktorskich w Akademii. Nie było ich wtedy zbyt wiele, ale niewątpliwie stanowiły dla niego duże obciążenie czasowe. Pamiętam, że moja obrona została przesunięta w czasie tyko dlatego, że spóźnił się Komendant. Nikomu nie przyszło na myśl, by bez niego rozpocząć.

Profesor Sylwester Kaliski tworzył zespoły badawcze, których badania ukierunkowywał i którym przewodził. Starał się nadać właściwą rangę akademickiemu pismu naukowemu - Biuletynowi WAT, a niezależnie od tego utworzył pismo Journal of Technical Physics, gdzie mogli publikować także pracownicy WAT. Można śmiało powiedzieć, że był twórcą autorytetu WAT jako uczelni politechnicznej. W każdym razie ten proces rozpoczął, dając przykład następnym pokoleniom. Akademia nie miała wcześniej takiego rektora - niestety, tak prężnego i charyzmatycznego nie miała także później.
Nie dziwię się, że zafascynował się zagadnieniem fuzji. Do jego realizacji przystąpił z właściwym mu rozmachem i systematycznością. Przy właściwych tematycznie katedrach utworzył zespoły przeznaczone do badań nad syntezą, które podporządkował sobie merytorycznie. Wymienię dwa z nich: Zespół Fizyki Plazmy przy Katedrze Obrony Przeciwatomowej oraz Zespół Laserów Dużej Mocy i Energii przy Katedrze Podstaw Radiotechniki. Przejął finansowanie tych zespołów, proponując dla nich tematykę badań i zdobywając odpowiednie środki. Nie było to łatwe.
Po środki zwracał się bezpośrednio do najwyższych władz. Wtedy najwyższą władzą byli pierwsi sekretarze PZPR. Zwracał się więc do nich. Zapraszał ich do WAT, pokazywał, czym się zajmuje, przekonywał o sensie i celowości dalszego prowadzenia tych prac. Wizyta Władysława Gomułki odbyła się w 1970 roku, a już w 1971 nastąpiła wizyta Edwarda Gierka.
Nie mnie oceniać metody postępowania Generała. Jedno należy mu przyznać: te metody były skuteczne, a zdobywane środki w jego zespołach nie były marnowane. Pilnował pieniędzy i nie było szans na ich nieodpowiedzialne wydawanie. Mogę w pełni o tym zaświadczyć i to potwierdzić.

Zespól Laserów Dużej Mocy i Energii ukonstytuował się w 1968 roku. Do 1973 zbudowano w nim (byłem kierownikiem tego zespołu) dwukanałowy (dwuwiązkowy) system laserowy złożony z zestawów: generatora, układu skracania impulsu i wzmacniaczy. Emitował on w impulsie o czasie trwania ok. 3 nanosekund energię przeszło 10 dżuli. Oznaczało to, że moc szczytowa w impulsie (tą miarą się posługiwano) przekraczała 30 GW (gigawatów). W czasie oddziaływania tego impulsu na tarcze zawierające lekkie pierwiastki (takie jak deuter, tryt, lit) udało się wykryć istnienie neutronów charakterystycznych dla syntezy termojądrowej.
Profesor Kaliski nie tylko ogłosił uzyskanie tego wyniku (ukazały się w czasopismach naukowych stosowne artykuły, ale uznał (uzyskał zgodę) za możliwe pokazanie laboratoriów WAT zagranicznym uczestnikom podczas zorganizowanej w 1975 r. przez WAT w Ryni pod Warszawą międzynarodowej konferencji naukowej poświęconej laserowej syntezie termojądrowej (VIII International Conference on Laser Plasma Fusion – May 1975).

Konferencja w Ryni, a szczególnie spotkanie z Amerykanami z ośrodka w Livermoore (LLNL - Lawrance Livermoore National Laboratory) zaowocowały dla nas ważnym zdarzeniem. Zaczęto przysyłać nam wydawane przez nich dość szczegółowe sprawozdania naukowe. Otrzymaliśmy też sprawozdania z lat wcześniejszych. Lektura sprawozdań nie napawała optymizmem.
• Przede wszystkim początkowe optymistyczne oceny energii wystarczającej do zapoczątkowania syntezy okazały się dalece niedoszacowane. Nagrzewana plazma ekspandowała i promieniowanie laserowe nie tylko powinno ją nagrzewać, ale przede wszystkim ściskać. Zwiększało to znacznie wymaganą w procesie energię.
• Ściskanie tarczy wymagało oświetlanie jej sferycznie wieloma strumieniami laserowymi. Podnosiło to liczbę koniecznych do zastosowania kanałów, a w ślad za tym wzrosły potrzeby materiałowe i koszt całego systemu. Liczba kanałów szybko wzrastała, by w końcu przekroczyć (zależnie od ośrodka) 200.
• Pierwszy zbudowany u nas układ laserowy składał się z dwóch kanałów, przygotowywany następny miał ich mieć cztery. W najbliższej przyszłości nie widać było szans na dalszą jego rozbudowę. Rozmiary i możliwości systemów budowanych przez inne kraje były nieporównywalnie większe.
• Polska, jako kraj związany wraz z blokiem wschodnim Sojuszem Warszawskim z ZSRR, była objęta embargiem w Stanach Zjednoczonych. Większość potrzebnych nam materiałów i elementów podlegała zakazowi eksportu.

Z motyką na słońce

Nasze szanse powodzenia w tematyce fuzji, przynajmniej w mojej ocenie, były znikome. Wymagania odnośnie laserów dla syntezy, jakie pojawiły się w połowie lat 70. wskazywały, że nie stać nas na nie ani technologicznie, ani finansowo.
Na dodatek pręty ze szkła neodymowego na końcowe wzmacniacze, których import z ZSSR został załatwiony przez profesora Kaliskiego na szczeblu rządowym (i podobno z pomocą Nikołaja Basowa), okazały się wadliwe. Miały wewnątrz liczne, różnej wielkości pęcherzyki powietrza, w tym również mgiełki pęcherzy o miniaturowych rozmiarach. Pęcherzyki wnoszą silne rozproszenie promieniowania, co znacząco obniża wytwarzane w nich energie impulsów.
Jak to w handlu z naszym wschodnim sąsiadem bywało, złożenie reklamacji na te pręty okazało się niemożliwe. To była prawdziwa katastrofa. Nasi przyjaciele uznali, że mogą nam sprzedać (wcale nie tanio) szkła wybrakowane. Oglądałem identyczne pręty w FIAN (Instytucie Fizyki Akademii Nauk) w Moskwie i tak licznych pęcherzy w nich nie zaobserwowałem.

Przełomowy dla nas (szczególnie dla mnie) okazał się rok 1975. W grudniu 1974 Profesor Kaliski został powołany na Ministra Nauki, Szkolnictwa Wyższego i Techniki. Oznaczało to odejście Profesora z WAT i daleko większe zaangażowanie się w działalność polityczną. Mimo, że otrzymał zgodę na utworzenie nowego międzyresortowego (resortów MON i MNSZWiT) instytutu IFPiLM (Instytut Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy), nie mieliśmy wątpliwości (ja na pewno), że działalność instytutu będzie ukierunkowana bardziej na plazmę i zagadnienia jądrowe, niż lasery.

Zastosowania laserów w tym czasie rozwijały się bardzo dynamicznie, w tym w interesujących mnie dwóch kierunkach: metrologii i medycynie. Nie chciałem ponadto odchodzić z WAT; lubiłem pracę ze studentami. Mimo atrakcyjnej propozycji bycia zastępcą dyrektora IFPiLM, poprosiłem nowego komendanta WAT gen. Aleksandra Grabowskiego i prof. Kaliskiego o możliwość pozostania. Nie wdając się w szczegóły i opis trudności z tym związanych, pragnę zaznaczyć, że zgody takie w 1976 roku ja i moich dwóch najbliższych współpracowników otrzymaliśmy.
Od tego momentu rozpoczął się dla nas okres zainteresowań nowymi, bardzo realnymi kierunkami zastosowań techniki laserowej, właśnie w metrologii i medycynie.

Jednocześnie w tym samym czasie zainteresowanie laserową mikrosyntezą termojądrową na świecie zaczęło powoli słabnąć. Sukces przestał wydawać się tak bliski, jak wstępnie oceniał J. Nuckolls. Wycofały się z tych badań również instytuty w Związku Radzieckim, w tym kierowany przez akademika N. Basowa. Najdłużej na placu boju pozostało laboratorium w Livermoore. W budowanym tam systemie nazwanym NIF (National Ignition Facility) uzyskano w 192 kanałach niewyobrażalną energię 1,8 MJ w nanosekundowym impulsie promieniowania o długości fali 351 nm. Jednak próby otrzymania reakcji łańcuchowej w objętości kulki o średnicy około 0,1mm prowadzone w latach 2012 – 2013 nie powiodły się. Podobne systemy (240 kanałowy, 1,8 MJ, LMJ – Laser Mega Joule i HiPER - High Power laser Energy Research facility), których budowę zapowiadano w Europie (Francja) także zostały wygaszone lub zdecydowanie poddane rewizji.
Nas było stać zaledwie na laser 4 kanałowy o energii ok. 20 J w impulsie o długości fali ~1µm. Proszę porównać - to różnica kosmiczna. Jak niewiele byliśmy w stanie w tym zakresie zrobić.

Muszę przyznać, że dla mnie brak pozytywnego wyniku laserowej syntezy, chociaż przewidywany w 1976 roku, stanowił jednak wielkie rozczarowanie. Chciałem wierzyć, że zapowiadane zastosowania laserów o globalnym, cywilizacyjnym (jak to przywykłem nazywać), znaczeniu spełniają się. Było tak w przypadku światłowodowej telekomunikacji, wykrywania fal grawitacyjnych, budowy optycznego wzorca czasu, holografii optycznej i pewnie jeszcze w innych projektach o mniejszej randze.
Jedna – fuzja - zakończyła się niepowodzeniem. Czy na pewno? Kontrolowana synteza jest tak ważna, że zapewne będzie kiedyś opanowana. Lasery powinny znaleźć w tym procesie miejsce dla siebie. Mam taką nadzieję i chociaż nie wiem w jakiej roli, wierzę, że lasery tam się znajdą.
Zdzisław Jankiewicz

*Do tej sprawy wrócimy w następnym numerze SN – red.

Poprzedni odcinek wspomnień Profesora pt. Maser i laser  zamieściliśmy w SN 2/20 

 

Odsłony: 368
Our website is protected by DMC Firewall!