Chytrá věda na EXPU 2020

Někteří možná pamatují úspěchy české expozice na bruselském Expu 1958. Později ovlivnilo i kulturní dějiny naší země. Český pavilon a expozice se vtiskly do srdcí návštěvníků, a dokonce si odnesly hlavní cenu – Zlatou hvězdu. Více než 150letá tradice světových výstav pokračuje vůbec poprvé v arabském regionu. Konkrétně v Dubaji, největším městě Spojených arabských emirátů. Expozice, pro které se v Česku vžila zkratka „expo“, se pořádají každých pět let a trvají až šest měsíců. Dubajská se koná od 1. října 2021 až do konce března 2022. Akademie věd ČR není na Expu nováčkem, její pracoviště se zúčastnila i světových výstav v čínské Šanghaji (2010) a v italském Miláně (2015). Tentokrát ji na Arabském poloostrově reprezentovala šestice ústavů s exponáty „nabitými“ chytrými technologiemi.

ČESKÝ PAVILON MEZI NEJNAVŠTĚVOVANĚJŠÍMI

Takřka dvě stovky pavilonů s účastí více než 190 zemí a na celkové ploše 438 hektarů se zaměřují hlavně na udržitelnost, mobilitu a příležitosti. Každá země nabízí odlišné expozice a pomyslně soupeří s ostatními vystavovateli o pozornost diváků. Český pavilon si během Expa vysloužil velký zájem a jen do konce února 2022 si jej prohlédlo více než 750 tisíc návštěvníků. Pro srovnání dodejme, že celé Expo navštívilo k začátku února 11,5 milionu diváků.

Český pavilon je součástí jedné ze tří částí, které vycházejí z principu udržitelnosti. Vstupní část nad pouštní zahradou tvoří mrak nerezových trubek – v podobě kapilár, které přecházejí do interiéru. Stálou součástí přízemí pavilonu je funkční systém S.A.W.E.R., jenž vyvinulo České vysoké učení technické v Praze a na kterém spolupracoval Botanický ústav AV ČR.

Pavilon je, co se vody týče, částečně soběstačný. Chladicí aparatura ji vyrábí kondenzací z horkého pouštního vzduchu. Zařízení S.A.W.E.R. umí získat z dubajského vzduchu desítky litrů vody za den. Používá se například k vaření, mytí či splachování.

„Na výstavě potkáte mnoho pavilónů, které nějakým způsobem prezentují rostliny. Například sousední pavilon Singapuru vytváří přesvědčivý dojem pralesa s využitím osmdesáti tisíc rostlin v květnících. Už málokdo se ale dozví, že jich celou jednu čtvrtinu museli v průběhu výstavy vyměnit," podotýká Jan Wild. Ředitele Botanického ústavu AV ČR těší, že díky použitým technologiím a zkušenostem pracovníků jeho pracoviště vegetace na českém pavilónu opravdu přirozeně roste – ba přímo bují a souzní tak s tématem této části výstavy, jímž je udržitelnost.

ZAHNAT V POUŠTI ŽÍZEŇ

Biologickou část systému S.A.W.E.R navrhl a osadil Botanický ústav AV ČR. Závlahový systém se přitom řídí na dálku z České republiky. Miroslav Vosátka, který se na projektu podílel, vysvětluje, že unikátní je mimo jiné tím, že se nachází asi čtyřicet centimetrů pod zemí. „Jeho prostřednictvím se eliminuje většina odparu a ušetří se zhruba padesát procent zálivkové vody. Zahrada na ploše přibližně pěti set metrů čtverečních kombinuje několik technologií a přístupů, které dohromady umožňují v daném prostředí kultivaci rostlin.“

Součástí stálé expozice Botanického ústavu AV ČR je také ukázka podzemí pouště. Ve dvou tubusech vědci názorně předvádějí, jak rostou kořeny a jak se přeměňuje písek vznikem organické vrstvy. V podzemní nice navíc promítají unikátní časosběrná videa o působení organismů na rozklad organické hmoty a růst hub a kořenů v půdě.

Přípravy nebyly jednoduché. „Se zahradníky jsme strávili v Dubaji asi tři měsíce. Hlavní problém spočíval v tom, že se zahrada připravovala paralelně s výstavbou pavilonu. Normální je, že nejdříve postavíte dům a teprve sázíte zahradu. Tady to nešlo a často jsme se tak dostávali do kolize s pokračující stavební částí,“ pokračuje Miroslav Vosátka.

Další problémy přinesl covid-19 a odložení Expa až na rok 2021. Botanický ústav AV ČR ale měl 15. března 2020 objednány všechny rostliny pro výsadbu. Místo sázení vědci narychlo odlétali posledním letadlem do Prahy a vrátili se až po roce: „Část zahrady jsme navíc museli sázet měsíc před zahájením výstavy při teplotách nad 48 °C. Pro všechny – rostliny nevyjímaje – to bylo náročné,“ vzpomíná.

Případné využití technologie Botanického ústavu AV ČR a Českého vysokého učení technického v Praze se teprve ukáže. S.A.W.E.R. se už ale nyní ve Spojených arabských emirátech testuje. „Věřím, že právě tam se může uplatnit,“ dodává Miroslav Vosátka.

OÁZA V POUŠTI

„Fotovoltaika dodává energii pro systém kondenzace vody z pouštního vzduchu. Voda se obohacuje o organickou složku z vermikompostu. Ve vodě se na kaskádových kultivačních plošinách, původně vyvinutých na našem pracovišti, pěstují před zraky návštěvníků zelené mikroskopické řasy,“ vrací se k českému pavilonu Ondřej Prášil, vedoucí Centra Algatech, třeboňského pracoviště Mikrobiologického ústavu AV ČR. Právě řasovou vodou se zalévají rostliny, které Botanický ústav AV ČR vysázel v poušti před pavilonem. „Jejich růstu pomáhají mykorhizní kultury a biouhel zapracovaný do písku. Poušť se tak postupně zúrodňuje a zelená,“ podotýká Miroslav Vosátka.

Mikrobiologický ústav AV ČR představil ve venkovní expozici českého pavilonu jako stálý exponát skleněný bioreaktor. Tvarem připomíná palmu – Alga Oasis. Umělecky ztvárňuje model fotobioreaktoru pro pěstování řas, jež poskytují nutričně bohatý zdroj potravy.

Mikroskopické řasy jsou malou továrnou na cenné látky pro moderní biotechnologie. Pomocí řas lze řešit mnohé současné výzvy – například nedostatek kvalitních potravin. Vznikl tak nápad představit tento proces v umělecky ztvárněné podobě. Návrh také vhodně doplnil koncept českého pavilonu: „spojovat myšlenky a vytvářet budoucnost“.

„Exponát je výjimečný, jak nápadem, tak po vědecké i umělecké stránce. Výborně reprezentuje náš špičkový výzkum,“ konstatuje předsedkyně Akademie věd ČR Eva Zažímalová.

Ředitel Mikrobiologického ústavu AV ČR Jiří Hašek doplňuje, že výroba Alga Oasis trvala více než rok: „Přípravy byly sice náročné, ale těší mě, že můžeme představit úspěšné odvětví české vědy, kterému se v našem ústavu věnujeme.“

Každý prvek fotobioreaktoru vznikl speciálně pro tento projekt, aby odolal extrémním podmínkám venkovního prostředí Arabského poloostrova. Jiří Hašek vysvětluje, že symbolizuje možnosti mikrobiálních, především řasových biotechnologií: „Téměř čtyři metry vysoký exponát ze skleněných trubek, který je součástí českého pavilonu po celé Expo, se rozsvěcí se setměním. Na kruhovém prstencovém panelu je symbolicky pomocí podsvícených piktogramů znázorněna fotosyntéza a její význam pro život a využití řasových biotechnologií.“ Senzory rozpoznají, že se k plastice přiblížil návštěvník. Skleněné trubice naplněné vodou začnou probublávat a zabarví se do zelena jako symbol růstu a pohybu mikroskopických řas. Pomocí QR kódu si návštěvník spustí video a dozví se informace o výzkumu a využití řas (více také v časopise A / Věda a výzkum).

Řasy „prorostly“ i do rakouské expozice. Mikrobiologický ústav AV ČR totiž spolupracuje s IMC Fachhochschule Krems. V tomto projektu se řasy využívají k získávání prvků vzácných zemin z průmyslového odpadu.

UDRŽITELNÁ ENERGETIKA NENÍ JEN HUDBOU BUDOUCNOSTI

Stálé výstavy Botanického a Mikrobiologického ústavu AV ČR doplnila 14. února 2022 expozice zaměřená na chytrou energii – cestu od jejího získávání přes uchování až po její využívání. Exponáty mohli diváci vidět až do konce února.

Energie nevzniká, ani nezaniká – a lidstvo se bez ní neobejde. I to byl jeden z důvodů, proč Akademie věd ČR nazvala svou rotační expozici na Expu 2020 Energy the Smart Way neboli Energie chytře. Na celém světě se totiž hledají cesty, jak energii získávat a využívat způsobem, aby naše planeta zůstala modrá a zelená. Vědci z pracovišť Akademie věd ČR proto přicházejí – mimo jiné v programech Strategie AV21 – s návrhy, jak energetickou budoucnost řešit.

Eva Zažímalová potvrzuje, že přístup k nakládání s energií musíme nutně změnit: „Přechod k udržitelné energetice je proto výzva pro vědecké týmy na celém světě. Rotační expozice Akademie věd a čtveřice pracovišť je příkladem konkrétních cest, které naši vědci objevují.“

Exponáty ukazují čtyři koncepty práce s energií: setrvačník pro ukládání energie, tokamak – srdce fúzního reaktoru, bateriové úložiště s hybridní elektrárnou a loď, která mění plastový odpad na palivový olej a odsolenou vodu.

Na své si přijde i vědecký dorost. Na každém exponátu najdou adepti vědy otázky v angličtině a arabštině, které jsou opatřeny kresbami postavičky dívenky a chlapce z dílny tvůrců NEZkreslené vědy. Odpovědi děti naleznou po naskenování QR kódu v mobilním telefonu.

LEVIGYR: SETRVAČNÍK UKLÁDAJÍCÍ ENERGII

Nepřehlédnutelná zlatá mince s logem Akademie věd ČR, která se vznáší ve vzduchu, ukazuje princip dočasného ukládání elektrické energie do energie otáčivého pohybu setrvačníku. Aby se setrvačník (mince) nezastavil mechanickým třením, jež vzniká v běžných kluzných nebo kuličkových ložiscích, je uložen na magnetickém závěsu a využívá hned několik magnetů a elektromagnet.

„Magnety se odpuzují a přitahují. Tím udržují minci ve správné výšce, aby hmotnost mince nesly výhradně trvalé magnety,“ vysvětluje Jiří Šonský z Ústavu termomechaniky AV ČR.

Magnetická ložiska jsou ale přirozeně nestabilní a při snaze o jejich ustálení se část energie ztrácí. V případě LeviGyru tomu tak není. Využívá obyčejné trvalé magnety, jejichž magnetická pole snímá soustava Hallových snímačů a řídí elektronika. Pohyb dále stabilizuje elektrodynamické tlumení. Výsledkem je stabilní setrvačník, který se otáčí kolem své osy se zanedbatelnými ztrátami energie (funkční model si můžete prohlédnout na Youtube). „Se zvyšujícím se podílem obnovitelných zdrojů nabývá téma ukládání energie na aktuálnosti. Setrvačníky v něm mají svou roli při stabilizaci frekvence rozvodné sítě,“ dodává Jiří Šonský.

DO ÚTROB ČISTÉ A BEZPEČNÉ FÚZNÍ ENERGIE

Nadějnou cestou k nízkoemisnímu a prakticky nevyčerpatelnému zdroji energie je jaderná fúze. Testy se dělají ve speciálních zařízeních – tokamacích. V nich se udržuje plazma při vysoké teplotě až 160 milionů stupňů Celsia (desetkrát větší než je teplota uprostřed Slunce), aby mohla probíhat fúzní reakce.

Fúzní elektrárny neprodukují jaderný odpad ani skleníkové plyny a jsou bezpečné. „Exploze jako v Černobylu nastat nemůže. Proces v reaktoru bude totiž jiný než ve štěpném reaktoru. Podobá se hoření, kdy budeme palivo do plazmatu neustále přidávat po gramech, a jeho dodávku půjde kdykoli přerušit, a tím ukončit reakci,“ vysvětluje Martin Hron z Ústavu fyziky plazmatu AV ČR.

Ústav fyziky plazmatu AV ČR se výzkumem fúze zabývá dlouhodobě. Rotační expozice představila dvoumetrový model tokamaku COMPASS Upgrade – skutečný v Praze zkoumá důležité oblasti pro budoucí fúzní elektrárny. Jako jediný na světě umí udržet plazma pomocí extrémně vysokých magnetických polí (až pět tesel) podobně jako budoucí největší mezinárodní tokamaky ITER a DEMO.

ÚLOŽIŠTĚ S HYBRIDNÍ ELEKTRÁRNOU POKRYJE DENNÍ SPOTŘEBU ENERGIE

Využít energii z obnovitelných zdrojů na maximum se pokouší PowerBox – úložiště energie s kapacitou 15–30 kWh, které poskytuje střídavý proud pro domácnost. Zdrojem energie jsou nejčastěji solární panely. Může jím ale být i větrná turbína či palivový článek.

„PowerBox je modulární bateriové úložiště. Jeho kapacitu lze přitom rozšiřovat dalšími bateriovými moduly. Kapacita jednoho modulu odpovídá denní spotřebě elektřiny v domácnosti s běžnými spotřebiči,“ vysvětluje Radomír Starý ze společnosti HE3DA. Právě tato firma spolupracovala s Ústavem fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR na nanotechnologiích, z nichž lithium-iontové články PowerBoxu vycházejí.

Bateriové články jsou napojené na hybridní fotovoltaickou elektrárnu. Společně dokážou nejen ukládat energii, ale také ji podle potřeby distribuovat – například ze slunce během dne a z baterie během noci, případně napájet dům, když dojde například k výpadku elektřiny. Články zvládnou baterie rovněž dobíjet a slučovat energii z ní a elektrické rozvodné sítě, pokud je sluneční svit nedostatečný.

Prototyp PowerBoxu, jehož model se představuje v Dubaji, nepotřebuje chlazení. Baterie HE3DA mají navíc oproti jiným lithium-iontovým bateriím výhodu nízkého vnitřního odporu a mimo elektrolyt neobsahují organické látky. To znamená, že nehoří a neexplodují.

MOŘE A OCEÁNY BEZ PLASTŮ

V mořích a oceánech se nacházejí stovky milionů tun plastového odpadu a každý rok dalších 5 až 13 milionů tun přibývá. Ostrovy plovoucího plastu přitom ohrožují život v mořích i zdraví.
Pomoci s jejich likvidací může loď, jejíž model rotační expozici uzavírá. Tvůrci využili známé technologie a použili je k likvidaci plastových ostrovů. Výsledkem je modulární technologie, kterou lze uspořádat do běžných kontejnerů používaných v námořní přepravě po celém světě.

„Princip fungování lodě není složitý. Odpad sebraný z moře se předčistí, homogenizuje a rozemele na menší částice. Dle kvality se připraví k energetickému využití – buď se spálí, nebo se zpracuje prostřednictvím pyrolýzy,“ vysvětluje Michal Šyc z Ústavu chemických procesů AV ČR, který na exponátu spolupracoval s Vysokým učením technickým v Brně a společností EVECO Brno. „Produktem je teplo, které můžeme využít pro odsolování mořské vody, a pyrolýzní olej, který může fungovat jako palivo nebo surovina v petrochemickém průmyslu,“ dodává. Ze zbytků tak nezůstane téměř nic – jen malé množství nespalitelného odpadu či popel z plastů. Odsolenou vodu a pyrolýzní olej lze naopak dále využít.

Podle autorů všechny dílčí technologie na pevnině běžně fungují. V lodi je propojili a díky kontejnerovému modulárnímu řešení může likvidátor plastů reálně po vodě plout.

„Samotná realizace bude poměrně drahá a motivace pro její výrobu a fungování by tak musela být spíše ekologická než ekonomická,“ uzavírá Michal Šyc. I tak vědci doufají, že Expo 2020 pomůže, aby se jejich koncept v praxi prosadil.

NA SHLEDANOU V ÓSACE

Příští světová výstava se koná v roce 2025 v japonské Ósace s hlavním tématem „Navrhujeme společnost budoucnosti pro naše životy“. Věřme, že se v českém pavilonu představí také pracoviště Akademie věd ČR – a že jejich nápady a chytré technologie zanechají výraznou stopu v paměti diváků stejně jako dubajské Expo 2020.

 

Text: Luděk Svoboda

Foto: Tomáš Kopecký

Článek vyšel v aktuálním vydání Akademického bulletinu, který vydává Akademie věd ČR.