Vakuum – technologie moderní doby

Vakuum – technologie moderní doby
Technologie ano, zdroj energie však nikoliv!

doc. Ing. Martin Libra, CSc.,
Česká zemědělská univerzita v Praze, Technická fakulta

Úvod redakce

V poslední době se ve světovém tisku objevily informace o tzv. vynálezu získávání volné energie z vakua. Tyto úvahy chiméricky zapadají do kontextu hledání nových, resp. jiných zdrojů energie, a to na pozadí statistik o úžících se zásobách fosilních paliv na Zemi a taktéž s nezasvěcenými rozpaky nad přijímáním energie z jaderných elektráren.

„Neomezené množství volné energie„, a navíc z vakua, je však neodborně a klamavě pojatá „naděje lidstva„ na vyřešení problému výroby a zásobování energií. Vakuum je jedna z technologií moderní doby, avšak není a nemůže být zdrojem energie. Proč?! „Vakuum„ je abstraktní pojem pro „absolutní prázdno„ – prostředí, ve kterém nejsou mechanické částice ani plyny, ani páry. Takový stav je však idealizace. Ideální „prázdno„ není v pozemských podmínkách vůbec dosažitelné, ovšem ani ve vesmíru neexistuje žádná oblast absolutně bez látkových částic. Nejméně existuje i ve vesmíru gravitační a elektromagnetické pole (teoreticky podle A. Einsteina jednotné unitární pole (viz slovníček 1)), tedy i zde je vakuum fyzikálním prostředím. Jako takové ovšem vakuum jak v praxi, tak i podle kvantové teorie nemůže být nikdy absolutní, zcela prázdné.

Vakuum je stav systému s nejmenší možnou energií, tzn. že nic nemůže mít menší energii než vakuum, a proto ani není možné z vakua žádnou energii odčerpat.

„Kvantové vakuum" (kvantovou mechanikou teoreticky uvažované fyzikální prostředí, nutně však obsahující částice) též nikdy není prázdné, protože by to odporovalo „vztahu neurčitosti„ mezi energií a časem.

Heisenbergův princip neurčitosti (zjednodušeně) – nelze současně určit polohu částice v čase a zároveň její energii. Určení polohy částice a hybnosti částice se navzájem vylučuje. Měříme-li polohu částice, změníme zároveň její energii.

V „kvantovém vakuu„ tedy neustále samovolně vznikají a zanikají částice, nelze však v jednom okamžiku změřit, a už vůbec ne odebrat(!), jejich energii. Zákon zachování energie, ač se to na první pohled nezdá, i v tomto případě platí a lze jej dokázat jako důsledek symetrie přírodních zákonů.

„Průmyslové vakuum„ (v průmyslové či výzkumné praxi využívané) je takové „prázdno„, které vždy obsahuje určité množství částic plynů a par, a to v takovém stavu, že tlak těchto plynů (nebo jejich směsí) je menší než okamžitý atmosférický tlak při normální teplotě.

Průmyslově je vakuum jako technologické prostředí využíváno již desítky let ve fyzice (hmotová spektrometrie iontů), medicíně, elektrotechnice (polovodičová technika), chemickém a automobilovém průmyslu, jaderné energetice (testování tlakových nádob reaktorů a potrubí) atd.

Co do „kvality„ se vakuum využívané v současnosti dělí podle tlaku do čtyř skupin:

1. hrubé: 10⁵ až 10² Pa
2. jemné: 10² až 10^–1 Pa
3. vysoké: 10^–1 až 1 · 10^–6 Pa
4. ultravakuum: nižší než 1 · 10^–6 Pa

Vakuum jako fyzikální prostředí má elektrickou permitivitu a magnetickou permeabilitu µ.

Permitivita e (materiálová, dříve dielektrická konstanta) charakterizuje elektrické vlastnosti dielektrika, „schopnost„ materiálu polarizovat se v elektrickém poli (např. vzduch má permitivitu 1,006 =1, speciální keramické hmoty 102 ÷ 10⁴ atd.).

e₀ – permitivita vakua: 8,854 · 10^–12 F/m

Permeabilita µ charakterizuje magnetické vlastnosti prostředí, poměr mezi magnetickou indukcí a intenzitou magnetického pole.

µ₀ = 1/e₀ c² kde c je rychlost světla ve vakuu: (2,997 924 580 ± 0,000 000 012) · 108 m·s^–1

µ₀ – permeabilita vakua: 4 10^–7 H/m

Jestliže se čas od času objevují náznaky vynálezů zdroje energie z vakua, pomíjejí jejich objevitelé zákon zachování energie a „princip neurčitosti„ si modifikují na přesvědčení, že vakuum je stále plné samovolně vznikajících částic, a tedy plné energie.

Zjednodušeně totiž tyto hypotézy staví na „poznatku„, že každá částice s elektrickým nábojem (protony – náboj kladné polarity, elektrony – náboj záporné polarity, náboj elektronu –e = –1,602 · 10^–19 C) sama o sobě vyzařuje energii. Pak stačí oddělit kladné náboje od záporných a takto vzniklý dipól bude sám zdrojem volně plynoucí energie.

Omyl!! Elektrický náboj v klidu nevyzařuje žádnou energii, je pouze zdrojem elektrostatického pole. Převážná část elektrotechnických zařízení využívá účinky nábojů pohybujících se za jednotku času, čili elektrického proudu. Elektrický proud může mít různé formy, budí ve svém okolí elektrické i magnetické pole (fyzikálně jednotné elektromagnetické pole) a užití elektrické energie je dáno jeho elektromagnetickými a elektrodynamickými účinky. Technickými prostředky docilujeme výroby, ale i spotřeby elektrické energie, ovšem kryté jinou formou energie (mechanickou, tepelnou).

Vakuum je i v kvantové mechanice definováno jako stav systému s nejmenší možnou energií, tzn. že systém nemůže klesnout na nižší energetickou hladinu, a není ani možné z vakua nějakou energii uvolnit. Pojem „volné energie„ sice skutečně i v technice existuje, je tomu tak ale v oboru termodynamiky, kde v tepelných strojích lze využít pouze určitou (volnou) část energie, ostatní energie je v termodynamickém systému pevně vázána.

Koneckonců zeptejme se „objevitelů“ s tro­chou ironie, proč ekonomicky i technicky náročně vytvářet vakuum jako zdroj energie, když by podle výše uvedeného principu „dipólu„ stačilo „cucat„ energii z každého kamenu?

O účelném průmyslovém využití vakua hovoří následující článek.

Redakce ELEKTRO

Vakuum – technologie 21. století

Devatenácté století bylo jistě právem nazýváno stoletím páry, protože vynález parního pohonu způsobil převrat v tehdejší úrovni techniky a v rozvoji průmyslu i dopravy. V následujícím 20. století se vývoj natolik urychlil, že bez nadsázky lze tento věk nazývat vědecko-technickou revolucí. Převratných objevů bylo tolik, že bychom těžko hledali ten jediný a nejvýznamnější, který by toto století charakterizoval. Nejprve bylo 20. století nazýváno stoletím elektřiny, později stoletím jaderné energie, stoletím kosmonautiky a nakonec stoletím elektroniky. Jistě by se našla i jiná, stejně výstižná označení. Dovolme si trochu romantiky a zamysleme se, jaké bude asi označení pro 21. století?

Dnes, když elektronika a zvláště mikroelektronika ovládla svět, patří polovodičový průmysl k nejdůležitějším odvětvím. Ale právě většina polovodičových technologií je nedílně spojena progresívním fyzikálním prostředím - s vakuem. Jmenujme např. tenkovrstvové technologie vakuového napařování, klasického i magnetronového naprašování, plazmochemické metody depozice tenkých vrstev, nástřik vrstev metodou spreje či metody dopování polovodičů iontovou implantací.

Ačkoliv na hotovém přístroji spotřební či průmyslové elektroniky vakuum na první pohled není vidět, k výrobě přístroje bylo nezbytné. Bez dalšího bouřlivého rozvoje a miniaturizace elektroniky, a zvláště výpočetní techniky, si dnešní ani budoucí svět vůbec nedovedeme představit. Rovněž vysoce náročná špičková zařízení, jakými jsou velké urychlovače částic a tokamaky (viz slovníček 2) pro výzkum jaderných reakcí, vysokoteplotního plazmatu a řízené termonukleární syntézy, se neobejdou bez ultravysokovakuových čerpacích systémů. O mnoha dalších oborech, jako je např. světelná technika apod., ani nemluvíme.

Přestože vakuum vyplňuje skoro celý vesmír, v našem světě v zemské biosféře se samovolně nevyskytuje a vytvořit ho můžeme jen ve složitých zařízeních špičkové technické úrovně.

Stejně jako mnoho jiných oborů i vakuová technika prošla dlouhým vývojem. Prvními průkopníky, kteří se zabývali vakuem na vědecké bázi, byli v sedmnáctém století G. Galilei (1564 - 1642) a dále i I. Newton (1643 - 1727), když řešili problém, proč sacím čerpadlem není možné vyčerpat vodu výše než do necelých deseti metrů. E. Torricelli (slovníček 3) jejich závěry po vykonání svého známého pokusu (Torricelliho trubice – slovníček 4)) zobecnil a ukázal, jak lze jednoduše vytvořit vakuum, či z dnešního hlediska lépe řečeno snížený tlak. V době, kdy O. Guerricke (slovníček 5) předváděl „magdeburské polokoule„ (slovníček 6, 1672, podle některých pramenů 1650 – pozn. red.), bylo vakuum ještě spíše pouhou kuriozitou bez využití v praxi (lidé žasli při pohledu na několik párů koní, které jen stěží od sebe odtrhly polokoule, z nichž byl vyčerpán vzduch – obr. 4). O jedno z prvních praktických využití vakua se zasloužil Thomas Alva Edison (1847–1931, slovníček 7), když roku 1879 zkonstruoval žárovku s uhlíkovým vláknem umístěným ve vakuové baňce.

Od té doby metody získávání vakua i jeho měření prodělaly dlouhý vývoj. Rozvinuly se i fyzikální teorie netěsností, natékání plynů, chování plynů na rozhraní vakua a stěny a teorie sorpce (zachycování kapalné nebo plynné složky směsi na povrchu tuhé fáze) a desorpce (opak absorpce) stěn. Rozvoj některých oborů měl i zpětné vazby na jiné obory. Například technologie získávání vysokého vakua po zkonstruování difuzních olejových vývěv a později i turbomolekulárních vývěv umožnily rozvoj hmotové spektrometrie iontů. Ta potom zpětně umožnila rozvoj technologie hledání netěsností založené na hmotové spektrometrii iontů helia, což se významně promítlo do práce konstruktérů i uživatelů nejen vakuové techniky. Hledání netěsností již v průběhu výrobního procesu podstatně zvyšuje spolehlivost výrobků a bez těchto kroků se již neobejde např. výroba mrazicích systémů ledniček, brzdových a klimatizačních systémů automobilů apod. ani náročné testování např. tlakových nádob jaderných reaktorů či parovodních okruhů elektráren.

Současné vysoké požadavky na čistotu a kvalitu vakua vyžadují nové směry ve vývoji vakuové techniky. Současným trendem jsou suché bezolejové čerpací systémy, neboť čistota vakua je limitujícím prvkem mnoha špičkových technologií. Například je-li dnes stupeň integrace na polovodičových čipech tak vysoký, že dopované oblasti mají rozměry jen několika elementárních buněk krystalu, nečistoty v podobě molekul olejových par snižují výtěžnost výroby, v krajním případě mohou výrobu i znemožnit. Takovými moderními suchými vývěvami jsou např. membránové nebo Rootsovy vývěvy, jakožto primární stupeň, a turbomolekulární nebo sorpční vývěvy, jakožto sekundární stupeň. Na obr. 1 je vakuová technika ALCATEL CIT, na obr. 2 jsou suché čerpací systémy v polovodičové výrobě a na obr. 3 je laboratorní zařízení na depozici tenkých vrstev metodou vakuového napařování.

Budeme tedy 21. století nazývat věkem elektroniky, či vakua? Časem se asi nabídnou i další možnosti, jako např. věk alternativních zdrojů energie nebo věk termonukleární syntézy jader. Jistě přijdou i další objevy, které budou symbolické pro svou dobu. Každou dobu charakterizuje více specifik, záleží na úhlu pohledu, který zvolíme.