Sciencemag.cz
Doporučujeme
Existují pouze dva důvody, proč v jednadvacátém století stále ještě nemáme létající auta: fyzika a chemie. (Uvažuji tu o létajících autech, která dokážou vzlétnout a přistát svisle, a ne o autech se zatahovacími křídly, což jsou v zásadě malá letadla. Tato druhá verze „létajícího auta“ skutečně existuje, ale nejde o ta vozidla, která nám už dlouho slibují vědeckofantastické filmy a komiksy.)
Fyzikální omezení plyne z principu zachování energie. Auto je těžký objekt a zvednout jej byť i jen pár metrů nad zem znamená zvýšit jeho potenciální energii o 15 000 joulů. Pro porovnání má míč při rychlém nadhozu v baseballu rychlost sto šedesáti kilometrů za hodinu a kinetickou energii 140 joulů. Zvednout vozidlo tak, aby byl člověk opravdu nezávislý na jakýchkoli stávajících cestách či silnicích, by si vyžádalo více než stokrát větší množství energie. A to jen na zvednutí auta a zaparkování někde na útesu.
Abyste vůz udrželi nad zemí i během jízdy, musíte neustále působit jistou silou směrem dolů, aby na základě Newtonova třetího pohybového zákona (síly se vyskytují v párech) auto pociťovalo nadnášející sílu, která bude působit proti dolů směřující gravitační přitažlivosti. U DeLoreanu by to vyžadovalo stálou sílu o velikosti okolo 6500 newtonů, která by mířila dolů a účinkovala po celou dobu. Jakmile přestanete touto silou působit, gravitace vás urychlí zpět k Zemi. Už jsme probírali, jak člověk dokáže tak velkou sílu vyvinout – pomocí tryskového spalovacího motoru. I jediný tryskový motor dokáže snadno zajistit dostatečný tah, aby automobil unesl, a většina lidí si představovala, že létající auta budou mít čtyři takové motory tam, kde se dnes nacházejí pneumatiky. Takovým vznášejícím se vozidlům by patrně stačily mnohem menší motory, než mají moderní letadla, protože snížený tah každého jednotlivého motoru by byl vyvážen skutečností, že na létajícím autě by byly motory čtyři. Kdykoli se tato létající auta objeví ve filmu, jsou typicky zobrazována jako tišší než tradiční automobily se spalovacím motorem – kdyby ale člověk měl tryskové motory usazené v rozích svého vozidla, rámus by ve skutečnosti zcela odváděl jeho pozornost od létání a byl by velkou zkouškou i pro ta nejlepší sluchátka potlačující hluk. Moc příjemné by to nebylo ani pro chodce stojící pod výfukem těchto tryskových motorů.
Je tu ale i další omezení dané chemií, kvůli němuž jsou létající auta nerealistická. Jak jsme právě zmínili, na to, aby se auto trvale vznášelo ve vzduchu, je potřeba značné množství energie a vozidlo si zdroj této energie musí vézt s sebou.
Zde je stejně jako u běžných automobilů důležitou otázkou hustota energie – kolik uložené chemické potenciální energie si můžete vézt na jeden kilogram paliva? Ve filmu Návrat do budoucnosti mění tamní létající auto organický odpad na energii prostřednictvím zařízení zvaného Mr. Fusion. Organická hmota jako třeba slupky z banánů a pivo je převážně z vody a jistý počet vodíkových atomů v molekulách vody obsahuje v jádře svázaném silnou interakcí jeden neutron navíc – tyto atomy se označují jako „deuterium“. Molekula H2O, v níž vodík nahradilo deuterium, se nazývá „těžká voda“. Slijí-li se dvě jádra deuteria do jediného většího jádra tvořeného dvěma protony a dvěma neutrony, dostaneme jádro helia. Jádro helia má hmotnost o malinko nižší než dvě jádra deuteria a v tomto fúzním procesu tak dojde k uvolnění velkého množství energie (podle E = mc2).
K této jaderné fúzi dochází v srdci Slunce a je zdrojem veškeré jeho energie (což jsme si na Zemi vyzkoušeli v podobě vodíkové bomby). Pokud bychom mohli dosáhnout téhož efektu v malém zařízení, které by se vešlo na kuchyňskou linku, opravdu bychom se rázem ocitli ve světě zítřka a létající auta by byla tou nejmenší změnou v našich životech.
Nejde jen o to, kolik energie si může vaše létající auto vézt s sebou v zásobě paliva, ale také jak rychle ji lze použít. Výkon není totéž co energie, jde totiž o míru rychlosti neboli tempa přeměny či využití energie.
Umět rychle dodat energii je důležité, máte-li mít létající auto. Na rozdíl od letadel, která vystoupají do výšek přes deset kilometrů, kde řídký vzduch zmenšuje vliv odporu vzduchu, bude létající auto muset vynaložit značnou energii na odstrkování vzduchu z cesty. Navíc bude muset zajistit vertikální sílu, která vyváží dolů mířící gravitační přitažlivost, a ještě mu bude muset nějaká ta energie zůstat, aby vozidlo opravdu doletělo do svého cíle. V ideálním zdroji energie pro létající auto by se snoubilo velké množství energie na jeden kilogram paliva jako u plynného vodíku a snadná skladovatelnost jako u lehké lithiové baterie. Nejnovější výzkumné práce o jistém zařízení, na něž v průběhu dne (a této knihy) narážíte stále znovu, možná přinesou průlom v ukládání energie a zajištění výkonu. Jde o jednoduchý výtvor, který je základem velké části techniky, s níž se dennodenně setkáváte: kondenzátor.
Ionty, které v lithiové baterii zajišťují elektrickou energii, vznikají chemickou reakcí, jež ovlivňuje pohyb atomů. Přestože je lithiový iont tak maličký, váží dvanácttisíckrát víc než jeden elektron. Místo toho, aby byly uložené elektrické náboje spojené s ionty, bylo by mnohem účinnější, kdybychom se těžkých jader zbavili a k ukládání elektrické energie použili prostě lehké elektrony. Přesně to dělá kondenzátor, a navíc s tou výhodou, že když z nábojů uložených v kondenzátoru odebíráte proud, příslušný elektrický signál se pohybuje téměř rychlostí světla – mnohem rychleji, než probíhají chemické reakce, které nabíjejí elektrody lithiové baterie. Výkon (tedy rychlost dodávání energie) poskytovaný kondenzátorem je velice vysoký. Oblast, kde kondenzátory zaostávají, je celkové množství energie, kterou do nich lze uložit. Nejvyšší hustoty energie (jouly na kilogram), jichž bylo až donedávna možné v kondenzátoru dosáhnout, byly tisíckrát nižší než v nejlepších lithium-iontových bateriích. Jinými slovy: i když se dokázaly vybít či nabít mnohem rychleji než baterie, jako zdroj energie pro létající auta (a ostatně i pro obyčejná auta) byly nepoužitelné.
Novější, právě vyvíjené kondenzátory to však možná změní a výrazně zvýší množství náboje, který se do nich vejde. Desky v těchto kondenzátorech jsou potažené velice tenkou (okolo desetiny milimetru) vrstvou uhlíku. Tento uhlík se pomocí chemických postupů zdrsní, takže nevypadá jako hladká, jednolitá plocha, ale spíš jako vnitřek koblihy s mnoha zákoutími a skulinami. Takovýto uhlík se nazývá „aktivovaný“. Jakýkoli proces, který probíhá na povrchu tohoto materiálu – třeba ukládání náboje v kondenzátoru –, se výrazně zlepší, protože má na tomto povrchu mnohem víc míst, s nimiž může reagovat. Efektivní plocha kondenzátorů s aktivovaným povrchem je nyní téměř desettisíckrát až stotisíckrát větší než plocha hladké kovové desky a hustota uloženého náboje odpovídajícím způsobem vzrostla. Prostor mezi kovovými deskami potaženými aktivovaným uhlíkem navíc vyplňuje tekutina nazývaná „elektrolyt“, která obsahuje jak kladně, tak záporně nabité ionty. Protože elektrolyt přináší náboje iontů až těsně k deskám, snižuje efektivní vzdálenost mezi nabitými deskami zhruba na velikost jednoho atomu a značně zesiluje elektrické pole mezi vrstvou iontů a vrstvou elektronů. Taková zařízení mohou teoreticky uchovávat více jak deseti milionkrát tolik elektrické energie než běžný kondenzátor o srovnatelné velikosti a říká se jim „ultra-kondenzátory“ nebo „super-kondenzátory“.
Základní fyzikální princip super-kondenzátorů je známý už od přelomu 60. a 70. let minulého století a pokrok v materiálovém výzkumu v 90. letech posunul jejich hustotu energie blízko k úrovni nutné pro použití v autě (v jeho pozemních verzích). Současné super-kondenzátory mají hustotu energie rovnou zhruba pěti procentům hustoty energie lithium-iontových baterií a tuto energii umí dodat za méně než jednu sekundu – takže hustota jejich výkonu neboli rychlost dodávky energie na jednotku hmotnosti je téměř desetkrát vyšší než u lithium-iontové baterie. Super-kondenzátor se dokáže znovu nabít během sekund (omezení plyne z difúze iontů na velmi krátkých vzdálenostech), zatímco obyčejná lithiová baterie se nabíjí hodinu. Jelikož v kondenzátoru nemusejí probíhat žádné chemické reakce, nedochází k narušování elektrod a životnost takovéhoto zařízení k ukládání náboje by předčila životnost auta či nákladního automobilu, který by pohánělo. Ačkoli kondenzátory zatím nejsou připraveny sloužit jako hlavní zdroj energie pro dopravu, již se používají ve speciálních situacích, kdy je vyžadován velký přísun energie – v některých autobusech a nákladních automobilech, které potřebují prudké zrychlení, když šplhají do kopce, nebo při prudkém otevření nouzových východů v tryskových dopravních letadlech. I když to není příliš pravděpodobné, třeba bude jednoho dne možné uložit do těchto zařízení dost energie na to, abychom se skutečně vymanili z hrůz na silnicích.
Tento text je úryvkem z knihy
James Kakalios: Fyzika všedních věcí – Neobyčejná věda v pozadí obyčejného dne
Argo a Dokořán 2018
O knize na stránkách vydavatele
