Nejvýkonnější český zkapalňovač helia pro vědu je v provozu v pražské Troji

Matematicko‑fyzikální fakulta UK ve spolupráci s Akademií věd ČR uvedla dnes do provozu nejvýkonnější český zkapalňovač helia pro vědecké účely o výkonu 49 litrů kapalného helia za hodinu. Ročně může zkapalnit až 70 000 metrů krychlových plynného helia. Přístroj využijí vědci i pro opětovné zkapalnění extrémně těkavého vzácného plynu z laboratoří, který takto recyklují. Zkapalňovač umožní další rozvoj kryogenních experimentů, výzkum kvantové turbulence i simulace proudění uvnitř Slunce či pulsarů.

Díky kapalnému heliu lze v kryogenních laboratořích pomocí supravodivých magnetů vytvářet silná magnetické pole a teploty velmi blízké absolutní nule, při nichž vědci studují vlastnosti látek za podmínek, které nikde jinde ve vesmíru neexistují. Například na urychlovači LHC v CERN se ochlazují pomocí supratekutého helia tisíce supravodivých magnetů na teplotu - 271 °C (~ 1,9 K). 

Kapalné i plynné helium je současně nástrojem i předmětem základního výzkumu. Využívá se například pro simulace proudění v nitru hvězd či pulsarů, a umožňuje tak vědcům zkoumat jevy, které ovlivňují vesmír a náš svět. „Supratekuté helium může za určitých podmínek proudit bez vnitřního tření a jeho vlastnosti lze vysvětlit pouze pomocí kvantové mechaniky. V supratekutém heliu vznikají kvantované víry a kvantová turbulence, což jsou jevy, které více než 25 let sledujeme,“ vysvětluje Ladislav Skrbek, přední český odborník na fyziku nízkých teplot z Matematicko-fyzikální fakulty UK (MFF UK). 

Univerzitní a akademické laboratoře využívající trojský zkapalňovač dosahují velmi nízkých teplot pro širokou škálu experimentů, například chlazení supravodivých magnetů spektrometrů jaderné magnetické rezonance. Ta slouží k určování struktury přírodních a syntetických sloučenin, pro výzkum vlastností kondenzovaných látek, nanočástic či materiálový výzkum.  

„Stabilní vysoká magnetická pole jsou pro materiálový výzkum nezbytná. V laboratorních podmínkách je lze generovat pouze s použitím cívek ze supravodivých materiálů, které pro své fungování vyžadují právě teploty kapalného helia,“ uvedl Martin Míšek z Fyzikálního ústavu Akademie věd ČR. Tato instituce má dlouhou tradici vývoje a studia široké třídy magnetických materiálů a nedávno se proslavila experimentálním potvrzením existence nové třídy magnetů, tzv. altermagnetů, nebo objevem frustrovaných antipolárních látek s podobnými vlastnostmi jako mají spinové kapaliny.

Nový zkapalňovač bude ročně dodávat až 80 000 litrů kapalného helia (značná část se během manipulace a transportu odpaří, recykluje a opětovně zkapalní). V laboratořích MFF UK výzkumníci spotřebují 20 000 litrů, druhým největším odběratelem s 16 000 litry bude Fyzikální ústav Akademie věd ČR. V Ústavu organické chemie a biochemie Akademie věd ČR se zachycené hélium v plynném stavu plní do tlakových lahví, aby se v areálu MFF UK opětovně zkapalnilo (cca 3800 litrů).  Mezi další akademické ústavy, které využijí kapalné helium, patří Ústav makromolekulární chemie Akademie věd ČR (800 litrů), Ústav anorganické chemie Akademie věd ČR (400 litrů) a Ústav fyzikální chemie J. Heyrovského Akademie věd ČR (100 litrů). Do pražské Troji si vozí zkapalnit plynné helium rovněž z brněnské výzkumné infrastruktury CEITEC (3 000 litrů). 

Co je to helium

Helium, druhý nejhojnější prvek ve vesmíru, známe od roku 1868. V počátcích bylo získáváno i z pórů uranových minerálů z Jáchymova. Zásadní přínos pro vědu umožnil až počin nizozemského fyzika a nositele Nobelovy ceny Heike Kamerlingha Onnese. Ten poprvé zkapalnil helium 10. července 1908 na univerzitě v Leidenu, přičemž toto datum je pokládáno za počátek moderní fyziky nízkých teplot.  

Helium
• tvoří přibližně 25 % hmoty okolního pozorovatelného vesmíru. Nejběžnějším izotopem helia ve vesmíru je helium-4, které vzniklo během nukleosyntézy při Velkém třesku. 
• vzácný plyn, který vzniká v zemské kůře rozpadem radioaktivních prvků 
a získává se separací ze zemního plynu, kde se vyskytuje jen v řádu procent. Roční produkce dosahuje přibližně 180 milionů metrů krychlových a mezi největší producenty helia patří USA, Katar a Alžír. 
• nepostradatelné pro experimenty v oblasti fyziky nízkých teplot, chemie 
a biologických věd, jeho použití pro vědecké účely představuje pouze 10 % celkové spotřeby helia na světě. NASA používá helium pro testování těsnosti vesmírných zařízení. Více než dvojnásobek této hodnoty se spotřebuje v lékařství, kde se využívá v diagnostice pro chlazení supravodivých magnetů při zobrazování pomocí magnetické rezonance (MRI), v heliových laserech při oční chirurgii nebo kardiopulmonálních resuscitačních pumpách.
• přibližně 20 % procent světových zásob se využívá pro výrobu polovodičů.
Helium se používá také k chlazení v síti vysokorychlostních železnic Šinkansen v Japonsku.
• při potápění do hloubek větších než 40 m se využívá směs helia, kyslíku, aby se předešlo tzv. hloubkovém opojení a snížilo se riziko dekompresní nemoci.
• pokud člověk nadechne helium, rezonanční frekvence hlasivek se změní, a to ovlivní zabarvení hlasu. Díky nízké hustotě plynu je v heliu rychlost zvuku větší než ve vzduchu a tím dojde k změně lidského hlasu, při nadměrném vdechování hrozí nedostatek kyslíku a udušení. 

Více informací:
Petra Köppl
+420 702 206 680
petra.koppl@matfyz.cuni.cz

Přečtěte si také

• Inteligentní biosenzory pomáhají včas odhalit zánět
• Postoje Čechů k robotům souvisejí s tím, jak důvěřují druhým
• Expertka vystoupí v Praze u příležitosti Mezinárodního dne žen a dívek ve vědě
• Konference Komunikace vědy 360° uvítá šéfku komunikace Společnosti Maxe Plancka
• Přijímačky: Kdy se vyplatí taktizovat a kdy ne?
• „Bílý“ buk z Moravského krasu: jak může strom žít 30 let bez fotosyntézy
• Výzkum z ÚOCHB odhaluje dosud nepoznaný způsob přepisu genetické informace
• Oteplování oslabuje přirozené nepřátele hmyzu, ukazuje nový výzkum
• Vědci odhalili novou příčinu degenerace sítnice: malá RNA, velký problém
• Studující medicíny zažívají více stresu, nevhodného chování i chaos ve výuce