Jen málokterým studentům se podaří proměnit svoji zálibu z dětství ve skutečnost. Janu Skácelovi, doktorandovi Přírodovědecké fakulty Masarykovy univerzity se zaměřením na fyziku plazmatu, se to podařilo. Strávil měsíc v NASA Ames Research Center v Kalifornii, kde se připojil k týmu světově uznávaných odborníků pracujících v zařízení Arc Jet Complex – unikátním experimentálním zařízení, které simuluje extrémní podmínky, jimž čelí kosmické lodě při vstupu do atmosféry. Jeho úkolem bylo podílet se na modelování kinetických okrajových podmínek, jejichž výsledky NASA využije k upřesnění svých simulací návratu satelitů do zemské atmosféry.
Na jakém projektu jste během stáže pracoval?
Moje práce spadá do oblasti fundamentální fyziky. Podílel jsem se na modelování kinetických okrajových podmínek v zařízení Arc Jet Complex. Plyn se v tomto zařízení ohřívá elektrickým obloukem na extrémně vysokou teplotu a následně se urychluje na nadzvukovou až hypersonickou rychlost. Proud horkého plynu se pak směřuje na testovaný povrch vzorku. Díky tomu lze napodobit podmínky, jakým čelí kosmické lodě při vstupu do atmosféry. Arc Jet Complex má za sebou bohatou 55letou historii. Testovaly se zde například materiály pro tepelnou ochranu v rámci misí jako je Apollo, Space Shuttle, nebo Mars Pathfinder. Dnes se toto zařízení primárně využívá pro testování materiálů v rámci plánovaných misí k Měsíci či Marsu, ve kterých se při návratu počítá s brzděním kosmických lodí s asistencí zemské atmosféry, nebo jejich přímým záchytem v atmosféře Země. Naším úkolem bylo pochopit a detailněji popsat fyzikální procesy v blízkosti elektrod, v místech odkud elektrický oblouk vychází, a na základě toho pak navrhnout modifikované okrajové podmínky, které by NASA mohlo využít ve svých simulačních kódech pro přesnější charakterizaci oblouku.
Jaký software nebo kód při modelování používáte?
Na von Karmanově Institutu(VKI) kde také v rámci svého doktorátu pracuji, vyvíjíme vlastní simulační kód s názvem Pantera (PArticle Numerical Tool for non-Equilibrium Reacting Aerodynamics), a to společně s italskými kolegy Pietrem Parodim a Federicem Barisellim. Pantera je open-source software určený pro simulaci nerovnovážné dynamiky plynů a plazmatu. Využívá speciálních numerických metod, jakými jsou například `Direct Simulation Monte Carlo', `Particle-in-Cell', a `Monte Carlo Collisions'. Plazma nebo plyn je reprezentován makročásticemi, které se pohybují, vzájemně se srážejí, a urychlují se díky silám pocházejícím od ostatních nabitých částic v simulaci, nebo z vnějších zdrojů. Tento částicový, statistický, přístup nám umožňuje velmi názorně a věrně reprezentovat složité fyzikální procesy které se odehrávají v plynu nebo v plazmatu, včetně detailního modelování interakce plazmatu se stěnou.
Tento software nám v NASA sloužil k simulaci interakce plazmového oblouku s elektrodami. Jedním ze zásadních fyzikálních procesů, které bylo třeba uvážit a implementovat do Pantery byla termoemise. Je to proces, při kterém dochází k silné emisi elektronů z povrchů zahřátých na velmi vysokou teplotu. Tento proces je velmi důležitý pro udržení vysokoteplotních oblouků. Navíc jsme implementovali efektivnější metodu pro výpočet srážek částic v plynu s více složkami o různých koncentracích. Tím se nám podařilo zásadně vylepšit model fyzikálních procesů v plazmovém oblouku Arc Jet Complexu. Pomocí tohoto vylepšeného modelu bylo pak naším úkolem zjistit, jak je elektroda plazmatem ovlivněna pro různé parametry oblouku, a vytvořit tak jakousi mapu okrajových podmínek, která půjde zobecnit z velmi detailní kinetické škály, kterou jsme my pomocí Pantery simulovali, na makroskopickou---více zjednodušenou---kterou pak může NASA přímo začlenit do svých vlastních modelů a kódů.
Jaký význam má pro vás spolupráce s NASA?
Největší přínos vidím v možnosti navázat kontakty a poznat tým špičkových odborníků. Kromě nás tam byli i studenti z francouzských škol, takže šlo o opravdu mezinárodní prostředí. Dozvěděl jsem se, jak se podobné projekty řeší jinde ve světě, a získal zkušenosti, které využiji ve své další vědecké práci. Pro mě osobně je stáž splněný sen – o kosmonautiku jsem se zajímal už od čtrnácti let a nikdy jsem nečekal, že se jednou dostanu až do NASA.
Jak jste se k fyzice dostal? Jaké jste měl v mládí představy o povolání?
Ode mě se vždycky očekávalo, že budu spíš konstruktér, protože pocházím z města, kde byl Siemens, a můj děda byl technik. V rodině se to předpokládalo. Ale pak, někdy v posledním ročníku střední školy, se ve mně něco přepnulo. Najednou jsem se začal zajímat o úplně jiné věci – začala mě bavit fyzika, i když jsem si to dlouho neuvědomoval, prostě to šlo samo. Až před posledním ročníkem jsem si řekl, že bych chtěl studovat fyziku. Takže pak vedla ta cesta na Přírodovědeckou fakultu. Postupně jsem potkával zajímavé lidi a všechno se to začalo rozvíjet.
Jakou roli hrála v této cestě naše fakulta a váš školitel zde?
V rámci témat bakalářských prací jsem se poprvé setkal s problematikou elektrických pohonů satelitů, což mě opravdu hodně překvapilo, protože jsem vůbec netušil, že se u nás něco takového dělá. Měl jsem možnost si o tomto tématu popovídat se svým budoucím školitelem Zdeňkem Bonaventurou, a rozhodl jsem se dané problematice věnovat. Od té doby se všechno začalo pomalu rozvíjet: v rámci diplomové práce jsem začal pracovat na vývoji fluidních modelů plazmatu, ve volných chvílích jsem si, také s podporou mého školitele, vyzkoušel částicové modely pro simulování transportu nabitých částic v plynu. To se mi pak velice hodilo, když jsem
později začal pracovat s Panterou. Díky kontaktům dr. Bonaventury jsem se dostal na von Karman Institut v Belgii na pracovní stáž pod vedení prof. Thierryho Magina a Phd. studenta Giuseppe Gangemiho, kde jsem pracoval na vývoji multi-komponentního modelu plazmatu. Ten popisuje pohyb plazmatu, které obsahuje více typů částic, jako pohyb jedné tekutiny, ovšem složené z více komponent. Každá komponenta má v rámci tekutiny vlastní, tzv. difuzní rychlost. Tento přístup je slibný, protože umožňuje snížit počet rovnic které je potřeba řešit.
Postupně jsme se také začali věnovat i problematice modelování nabíjení satelitů. To je
velice aktuální a zajímavé téma, které zkoumá vliv plazmatu a zbytkové atmosféry Země na
satelity. Satelity se totiž při pohybu kolem Země vlivem interakce s okolním prostředím (plazmatem) elektricky nabíjejí, to může vést k poruchám a nestabilitám jejich drah vlivem přenosu hybnosti mezi satelitem a okolním prostředím. V horším případě i k jejich poškození elektrickými výboji, dojde-li k výrazně rozdílnému nabití různých částí satelitu. V současné době na toto téma studuji doktorát pod dvojím vedením: na Masarykově univerzitě, kde je mým školitelem dr. Zdeněk Bonaventura, a na Université Libre de Bruxelles, kde je mým školitelem prof. Thierry Magin. V rámci doktorátu také dále působím na VKI.
Můžete přiblížit, čemu se věnuje von Karman Institute?
Von Karman Institute se zaměřuje na výzkum v oblasti proudění tekutin, aerodynamiky a pohonů pro letectví a kosmonautiku. Studují zde například vstup satelitů do atmosféry, testují nové materiály pro aerospace a mají také laboratoře pro simulaci extrémních podmínek, podobně jako v NASA. S VKI spolupracuji už téměř tři roky, nejprve v rámci Erasmu+ stáže, na kterou jsem vycestoval z MUNI ve třetím semestru diplomového studia, a teď také v rámci mého doktorátu. V prvním roce mého doktorského studia na MUNI jsem též absolvoval prestižní 9 měsíční studium v rámci `Master-after-Master' programu, který organizuje VKI, tam jsem se také poprvé setkal s Panterou. V rámci Master-after-Master programu jsem absolvoval několik základních kurzů fluidní dynamiky a vypracoval jsem výzkumný projekt, který se zabýval problematikou nabíjení satelitů na velmi nízké oběžné dráze Země. Na tomto tématu dále pokračuji i v rámci doktorátu.
Jak vypadala vaše každodenní práce v NASA?
Úzce jsem spolupracoval přímo s výzkumným týmem NASA na konkrétních fyzikálních problémech, které bylo nutné v našem modelu uvážit. Snažili jsme se například najít způsob, jak v modelu zohlednit odpařování povrchu elektrody, ke kterému dochází vlivem extrémně vysokých teplot, které panují v místě kontaktu plazmatu oblouku s povrchem elektrody. Zároveň jsem měl prostor pro vlastní výzkum, který spočíval především v rozšiřování a testování fyzikálních modelů, které jsou v Panteře implementovány. Skvělá byla možnost osobních konzultací s mentory z NASA, kteří nám byli k dispozici, kdykoli jsme potřebovali odbornou radu nebo pomoc. Měl jsem možnost konzultovat i s opravdu zkušeným matadorem, který ve výzkumu pro NASA pracoval na různých fyzikálních a technických problémech více jak 40 let. Kromě práce jsme ale měli také spoustu mimopracovních aktivit. Přímo vedle naší pracovny se nacházel Spacebar, kde jsme měli možnost vždy příjemně zakončit náročný den nad sklenicí piva. Několikrát jsme také uspořádali společnou večeři s kolegy. O víkendech jsem využil příležitost prozkoumávat krásy Kalifornie, z výletu do Yosemitského národního parku jsem dodnes nadšený.
Jak jste se ke stáži v NASA dostal?
Celé to začalo díky kontaktům mezi von Karman Institutem a NASA. V minulosti už podobná spolupráce probíhala, ale během covidu se přerušila. Po pandemii se ji podařilo znovu rozjet a objevila se tak možnost opět se přihlásit. Museli jsme nejdříve navrhnout téma projektu, na kterém bychom pracovali a který by byl zajímavý také pro NASA. Nakonec jsme přišli s tématem již zmíněného modelování kinetických okrajových podmínek v plazmovém oblouku. Měl jsem štěstí, že jsem byl v rámci programu Erasmus+ na VKI vybrán, abych na tomto projektu mohl pracovat přímo v NASA.
Jak zpětně hodnotíte celý pobyt?
Setkal jsem se s mnoha zajímavými lidmi, se kterými jsem mohl diskutovat o fyzice elektrických výbojů. Musím říct, že během celé této stáže jsem využil na maximum své znalosti, které jsem získal z přednášek na naší fakultě. Díky tomu jsem se mohl aktivně zapojovat během diskusí nad danou problematikou. Byl jsem také velmi rád, že jsem do těchto diskusí mohl zapojit i svého vedoucího Zdeňka Bonaventuru, který nám poskytl velmi užitečné rady, což nám pomohlo vylepšit naše simulační modely pro elektrické výboje. I díky tomu jsme dokázali získat v rámci stáže v NASA velmi dobré výsledky.
Těším se z toho, že NASA náš projekt zaujal natolik, že plánujeme na tomto tématu dál společně pracovat abychom vše dotáhli až k samotným kinetickým okrajovým podmínkám.
Děkuji za rozhovor
Foto: Archiv Jana Skácela
Česko-slovenský tým studentek a studentů z Masarykovy univerzity a VUT dokázal v rekordním čase vybrat finance na startovné a na konci října se zúčastní prestižní světové soutěže iGEM Grand Jamboree v Paříži.
Chemik Tomáš Fiala získal ERC Starting grant a vrací se s ním a Přírodovědeckou fakultu MU. Díky němu může intenzivně pracovat na objasnění původu Parkinsonovy choroby a dalších neurodegenerativních nemocí. Gratulujeme.
