KYSELINA ERUKOVÁHYACINT VODNÍ – ZÁHUBA ČI POMOC?GRAVITAČNÍ VÍROVÁ ELEKTRÁRNATEENAGER POSTAVIL JADERNÝ REAKTOR
W W W . T R E T I P O L . C Z
TÉMA ČÍSLA
T Ř Í P Ó L | z á ř í 2 0 1 4
S e d m ý e l e k t r o n i c k ý r o č n í k | č a S o p i S p r o S t u d e n t y | Z d a r m a
M A G A Z Í N P L N Ý P O Z I T I V N Í E N E R G I E
Mladá věda
Stříbro z KapsKého Města pro SeveročeSkého MateMatika OBSAH
TŘÍPÓL | 3/2014, sedmý elektronický ročník | časopis pro studenty | zdarma | součást vzdělávacího programu Svět energie | pro ČEZ, a. s.,vydává: Cinemax, s. r. o. | redakční rada: Šárka Beránková, Jan Obdržálek, Lukáš Rytíř, Jan Píšala, Edita Bromovášéfredaktor: Michael Pompe | odpovědná redaktorka: Ing. Marie Dufková | grafická úprava a sazba: CINEMAX, s. r. o. redakce, administrace a inzerce: CINEMAX, s. r. o., Elišky Přemyslovny 433, Praha 5, tel.: 257 327 239, fax: 257 327 239e‑mail: [email protected] | web: www.tretipol.cz | kopírování a šíření pro účely vzdělávání dovoleno | za správnost příspěvků ručí autoři
Stříbrnou medaili si z letošní Mezinárodní
matematické olympiády v jihoafrickém Kapském
Městě přivezl student českolipského gymnázia
Tomáš Novotný. Spolu s ním si nad úlohami
lámalo hlavu dalších pět českých středoškoláků,
všichni se ziskem bronzové medaile. Naposledy
se podobný triumf českých studentů podařil
před šestnácti lety! Gratulujeme!
Letos proběhl již 55. ročník Mezinárodní matema-
tické olympiády – nejstarší soutěže svého druhu
na světě – za účasti 560 soutěžících ze 101 zemí
světa. Mezi celosvětovou konkurencí obsadili čeští
studenti 32. místo, což je nejlepší umístění České
republiky v posledních letech. Medaile získalo všech
šest členů reprezentace. Z drahého kovu se radovali
také středoškoláci Filip Bialas (Gymnázium Opatov,
Praha 4), Martin Hora (Gymnázium Plzeň), Viktor
Němeček (Gymnázium Jihlava), Radovan Švarc
(Gymnázium Česká Třebová) a Pavel Turek (Gymná-
zium Olomouc-Hejčín). Ti všichni získali bronzové
medaile. Se 124 body se Česká republika umístila
v první třetině z celkového počtu 101 zemí. První
místo obsadili studenti z Číny se ziskem 201 bodů.
Na druhém místě skončili američtí studenti a bronz
si odvezli studenti Tchaj-wanu.
Čeští studenti sice letos nepřivezli zlato jako
v loňském roce, zato celkem získali více medai-
lí. Obsazení 32. příčky je největším úspěchem
českého týmu za posledních 10 let. Loňské zlato
v Kolumbii s 31 body získal Štěpán Šimsa z Gym-
názia Josefa Jungmanna v Litoměřicích. Další tři
čeští matematici odletěli domů s bronzem a dva
s čestným uznáním za alespoň jednu bezchybně
vyřešenou úlohu.
(red)
3REPREzENTANTI ČR V KAPSKém měSTě. zLEVA: PAVEL TUREK, RAdOVAN ŠVARc, FILIP BIALAS, TOmÁŠ NOVOTNý, VIKTOR NěmEČEK, mARTIN HORA.
Na otázku letního vydání Třípólu „V kterém roce
(s tolerancí +/- 2 roky) byl v ruském Obninsku
zahájen provoz první komerční jaderné elektrárny
na světě?“ jako první odpověděl Aleš Maršíček
z Litoměřic. Jeho odpověď byla nejen správná,
ale redakci časopisu potěšil i zájmem o naše
soutěže. Aleš nám totiž napsal: „Správná odpověď
je v roce 1954. Jsem moc rád, že mohu soutěžit
s Vámi a získávat tím témata a informace, o které
bych asi jinak přišel…“
Výherci upřímně blahopřejeme a posíláme
slíbenou odměnu.
Pokud chcete získat dárek i v soutěži poslední-
ho letošního vydání, zamyslete se nad správnou
odpovědí na otázku „Jaké elektrárny v zemích
EU vyrábějí nejlevnější elektřinu. Jsou to uhelné
elektrárny, jaderné nebo vodní elektrárny?“
Odpovědi posílejte do konce listopadu na:
SOUTĚŽ
3 Degradační účinky chemického čištění na stav elektroizolace
4 Jak velký transformátor je ten pravý?
6 Gravitační vírová elektrárna inovace ve vodní energetice?
7 Mohou být elektrické motory efektivnější?
7 Filosofické předpoklady přírodních věd
8 Hyacint vodní – záhuba či pomoc?
9 Kyselina eruková v luštěninách a olejninách
10 Student navrhl vodní elektrárnu
11 Chytači mlhy
12 Skla z Libyjské pouště: složení a možný původ
14 Teenager postavil jaderný reaktor
15 Vizionář
16 Těsnění – maličkosti obrovského významu
19 Sluneční vařiče
ŠťaStná SedMička podruhéNáš časopis začal svoji pozemskou pouť v roce 2001
jako tištěný. Dostával se přímo do ruky středoškolá-
kům po celé ČR. Tak to bylo po celých prvních sedm
let. Pak jsme kvůli úspoře financí přešli na elektro-
nický časopis šířený prostřednictvím internetu. Už
to bude také celých dalších sedm let. Už víme, že
se nad ním stahují mraky dalších úspor. Nebojte se,
druhou šťastnou sedmičku života dotáhneme. A něco
vymyslíme, abychom mohli šťastně načít i tu třetí
sedmičku. Máme vás, naše čtenáře, rádi a chceme
vám přinášet informace o vědě a technice i dál.
Držte nám palce. Marie dufková
třípól | www.tretipol.cz
2 Září 2014
VliV čištění na elektrické Vlastnosti izolačních systémů Diagnostický systém pro určení vlivů čisticích pro-
středků na elektrické vlastnosti izolačních systémů
se zakládá na sledování změn povrchového odporu,
resp. měrného povrchového odporu (tj. povrchové
rezistivity) při dlouhodobém působení čisticích pro-
středků na povrch izolačních materiálů. Pro analýzu
změn elektrických vlastností posloužila vyřazená
čela statorového vinutí generátoru. V tomto případě
byl tedy izolačním systémem třísložkový kompozit
Relanex (skleněná tkanina, slída, epoxidová prysky-
řice). Na těchto vzorcích se vytvořil pomocí měděné
vodivé pásky elektrodový systém. Vzdálenost elek-
trod byla 3 cm a jejich obvod 20 cm (obr. 2). Pro
každý čisticí roztok bylo připraveno pět vzorků.
Sledoval jsem tyto čisticí prostředky: Kaltreiniger
716 (dodává Lars Chemie), Kempt II. (NCH Cze-
choslovakia), Nicro 1065 (Motip Dupli), Competent
(NCHCzechoslovakia), Spirdane D60 (Total). Jedná
se o roztoky na bázi alifatických uhlovodíků, při-
čemž konkrétní chemické složení výrobce neuvádí.
Každý čisticí prostředek se barevně odlišoval a stej-
nou barvou byla označena i zkoušená čela vinutí,
aby se snížila možnost pochybení při aplikaci
čisticího prostředku či při následném měření.
VoltampéroVá metodaPro měření povrchového odporu jsem zvolil
voltampérovou metodu. Na elektrodu 1 se přivedlo
napájecí napětí o hodnotě 500 V a po 60 s se
na elektrodě 2 snímal proud tekoucí po povrchu
(obr. 3). Nejprve probíhalo měření na neočiště-
ných vzorcích, tedy v jejich původním stavu bez
jakéhokoliv chemického zásahu. Pro potlačení
rušení byl měřicí přístroj KEITHLEY 6517A – vhodný
pro měření proudů velmi nízkých hodnot – vodivě
spojen se stínící komorou, do níž se umísťovaly
vzorky (obr. 4).
Pro bezporuchový provoz elektrických zařízení
je velmi významná včasná údržba spojená
s vhodným čistěním zařízení. Čistit lze různý-
mi způsoby. Zejména je třeba hledat takové čisticí
prostředky, které by povrch čištěného předmětu
co nejméně poškozovaly. Navrhl jsem systém, jak
jejich vlivy diagnostikovat.
znečištění elektrických točiVých strojůZnečištění vinutí může vést k několika problémům.
Těmi nejzásadnějšími jsou teplotní a chemická
degradace, vznik vodivých cest či mechanické
poškození izolačního systému. Vodivé cesty mohou
vznikat např. u vzduchem chlazených generáto-
rů, kdy se do útrob stroje dostanou nečistoty,
hmyz, uhelný prach či kovové částice. Mechanické
poškození může vzniknout u strojů využívaných
v těžkém průmyslu, kdy se do chladicího média
dostanou malé, ale tvrdé částice, které mohou
izolační systém poškrábat, nebo pořezat. Jedná se
většinou o písek, popílek nebo skleněná vlákna.
Volba způsobu čištění je dána rozsahem znečiš-
tění a individuální je i doba mezi jednotlivými
servisními aplikacemi. V praxi se doporučuje čistit
v periodě tří až pěti let.
metody čištění elektrických točiVých strojůČištění elektrických točivých strojů je jedním ze zá-
kladních úkolů údržby, ač mu dříve nebyla věnována
taková pozornost. Žádné, nedostatečné či špatně
provedené čištění může mít pro stroj z hlediska
jeho životnosti nevratné destruktivní následky.
Metoda čištění se volí podle rozsahu znečištění
a ekonomických nákladů. V současné době se vyu-
žívají čisticí metody buď tzv. suchou, nebo mokrou
cestou. Čištění suchou cestou zahrnuje mechanické
čištění, čištění stlačeným vzduchem nebo tryskání
suchým ledem (obr 1). Čištění mokrou cestou je
například tlakové čištění, čištění ultrazvukem, či
moderní čištění pomocí CT technologie.
Jaroslav Hornak, student Fakulty elektrotechnické Západočeské univerzity v Plzni, si za téma své diplomové práce zvolil zkoumání problematiky čištění povrchu vinutí elektrických točivých strojů. Popsal možné příčiny znečištění, metody čištění, čisticí prostředky a vlivy čisticích prostředků na povrch izolačního materiálu. Jeho práce s návrhem diagnostického systému pro stanovení vlivů čisticích prostředků na elektrické vlastnosti izolačních systémů získala druhou cenu v soutěži Cena Nadace ČEZ 2014 v kategorii Elektrotechnologie a měření. O svých experimentech napsal i článek pro čtenáře Třípólu.
degradační účinky chemického čištění na stav elektroizolace
3OBR. 1 PRINcIP TRYSKÁNÍ SUcHým LEdEm (cO2 PELETY)
3OBR. 2 VIzUALIzAcE VzORKU
3AUTOR ČLÁNKU PŘEBÍRÁ cENU zA dRUHé mÍSTO V SOUTěžI cENA NAdAcE ČEz 2014
Dokončení na straně 4 D
3
JaK velKý tranSforMátor je ten pravý?Transformátor je elektrický stroj, který mění velikost střídavého napětí. Pracuje na principu elektromagnetické indukce a nemá pohyblivé součásti. Provozem transformátoru dochází v závislosti na jeho zatížení ke ztrátám elektrického výkonu. Hospodárný provoz transformátorů přispívá k hospodárnosti celé elektrizační soustavy. Jaký transformátor tedy zvolit?
ztráty VýkonuU transformátoru pod proudem se jeho jádro zahřívá.
Jde jednak o tzv. hysterezní ztráty závislé na mate-
riálu, z kterého je tvořeno jádro, jednak o nežádoucí
vířivé proudy vznikající ve větších kusech vodiče
ve střídavém magnetickém poli. Volné elektrony se
v kovovém vodiči začnou pohybovat po kružnicích.
Přitom předávají část své energie krystalové mřížce
a kov se začne ohřívat. V obou případech to jsou
tzv. ztráty naprázdno (v „železe“). Ve vodičích vinutí
cívek se přemění část energie na Jouleovo teplo
a způsobuje oteplení vinutí – jedná se o tzv. ztráty
nakrátko (v „mědi“). Hospodárné zatížení transfor-
mátoru je takové zatížení, kdy jsou v transformátoru
nejmenší poměrné ztráty, tedy nejmenší poměr
činných ztrát k přenášenému zdánlivému výkonu.
optimální Velikost transformá-toru z hlediska ztrátPosouzení optimální velikosti transformátoru čistě
z hlediska celkových ztrát určuje průsečík celkových
ztrát transformátoru menšího jmenovitého výkonu
s transformátorem většího jmenovitého výkonu.
Z průsečíků vychází, do jakého zatížení S se
z hlediska menších ztrát vyplatí zatěžovat daný
transformátor. Průsečíky křivek činných ztrát na
obr. 1 vyjadřují optimální velikost navrhovaného
transformátoru z hlediska ztrát, čili při jakém
proměnném výkonu S je teoreticky výhodnější pro-
vozovat transformátor většího jmenovitého výkonu.
paralelně pracující skupina transformátorůParalelní chod se používá při nerovnoměrném zatí-
žení například během dne nebo týdne, kdy použití
jediného samostatně pracujícího transformátoru
by bylo ekonomicky i technicky nevýhodné. Proto
se problém, při jakém zatížení S lze ušetřit ztráty
nakrátko, řeší odpojením paralelně pracujícího
transformátoru, nebo naopak připojením paralelně
pracujícího transformátoru pro zmenšení ztrát
nakrátko. Výkon, při kterém se vyplatí odpojit,
resp. připojit paralelně pracující transformátor,
nazýváme přechodový výkon Spř. Na obr. 2 je zob-
razen průběh ztrát jednoho transformátoru a dvou
až čtyř paralelně pracujících transformátorů. Jsou
zde vyznačeny přechodové výkony Spř, při kterých
je z hlediska ztrát výhodnější připojit nebo odpojit
další paralelně pracující transformátor. Průběhy jsou
zobrazeny pro transformátory o Sn = 25 MVA, ztráty
naprázdno Po = 20 kW, ztráty nakrátko Pk = 90 kW.
Křivky na obr. 2 umožňují rozhodnout o optimálním
provozu již instalovaných transformátorů. Z grafu
teoreticky vyplývá, že při zatížení menším než
16,67 MVA by bylo výhodnější provozovat pouze
jediný transformátor.
problém spolehliVostiV praxi je zásadním problémem spolehlivost.
Transformátory napájejí svou vlastní oblast. Za nor-
málního provozu nejsou na straně nižšího napětí
1 AUTOR ČLÁNKU VYSVěTLUjE V PRůBěHU SOUTěžE cENA NAdAcE ČEz 2014 OdBORNémU POROTcI VýSLEdKY SVé ANALýzY HOSPOdÁRNé VELIKOSTI TRANSFORmÁTORů
Po výchozím měření se vzorky pomocí štětce
a textilie očistily čisticími prostředky. Abych dosáhl
co nejdelšího působení, ovinul jsem zkoumané
vzorky kusy látky, které byly dostatečně napuštěny
čisticím prostředkem, a pevně jsem je zafixoval
pomocí potravinářské fólie. Fólie posloužila také
k tomu, aby čisticí prostředek předčasně nevyschnul.
Na každém vzorku proběhlo pět měření – v původ-
ním stavu, po 7, 25, 40 a 50 dnech. Před měřením
jsem vždy ze vzorků odstranil fólii a textilní mate-
riál a vzorky vysušil přenosným kompresorem tak,
abych co nejvěrohodněji napodobil skutečný čisticí
proces. Po každém měření jsem obalení vzorků
napuštěnou textilií a potravinářskou fólií zopako-
val. Výsledné hodnoty povrchového proudu jsem
přepočítal podle Ohmova zákona na hodnoty povr-
chového odporu, z nichž jsem vyjádřil povrchovou
rezistivitu. Pro takto získané hodnoty povrchové
rezistivity jsem vypočítal její procentuální pokles
a průměr procentuálního poklesu. Daný postup
na první pohled odhalil, který z čisticích prostředků
působí na elektroizolační systém nejagresivněji.
Vyhodnocení naplnila očekáVáníMěření potvrdila, že čím déle působí chemické
roztoky na izolační systém, tím menší je hodnota
povrchové rezistivity. Už pouhý pohled potvrdil, že
vzorky mění strukturu povrchu. To znamená, že se
snižuje izolační schopnost materiálu, což by mohlo
být pro další provoz elektrických zařízení nebezpečné.
Z toho plyne závěr, že proces čištění je třeba zkrátit
na nezbytně nutnou dobu a stroj dostatečně vysušit.
Z dodaných čisticích roztoků vyšel nejlépe
prostředek Spirdane D60 od společnosti Total,
u kterého po 50 dnech působení klesla povr-
chová rezistivita přibližně na polovinu původní
hodnoty. Naopak nejhůře dopadl podle statistického
vyjádření čisticí prostředek NICRO 1065 – při jeho
použití se průměrná povrchová rezistivita snížila
na 23,59 % původní hodnoty.
Jaroslav Hornak
3OBR. 3 ScHémA zAPOjENÍ PRO měŘENÍ POVRcHOVéHO OdPORU
3OBR. 4 PRAcOVIŠTě PRO měŘENÍ POVRcHOVéHO OdPORU
% Pokračování ze strany 3
třípól | www.tretipol.cz
Září 20144
propojeny z důvodu vyrovnávacích proudů. Fungují
jako paprsková síť. Pokud jeden transformátor
vypadne, propojí se síť na straně nižšího napětí
a můžeme napájet oblast jediným transformátorem.
Taková situace se vyřeší mnohem rychleji, pokud
jsou oba transformátory v provozu. Kdyby oba
transformátory napájely stejnou oblast sítě a pro-
vozovali bychom pouze jediný transformátor, pak
by v případě poruchy nastal delší výpadek.
Při paralelní práci n transformátorů má skupina
n-násobné ztráty naprázdno (v železe) Po a 1n násob-
né ztráty nakrátko (v mědi) Pk . Jednoduchou rovnicí,
Pzn= n∙Po+ ∙Pkn [kW],1n
s2
s2 n
kde Pzn jsou celkové ztráty paralelně pracující
skupiny transformátorů, P0 ztráty naprázdno, Pkn
jmenovité ztráty nakrátko a n je počet transformá-
torů, můžeme vyjádřit celkové ztráty transformátoru
Pzn a vypočítat výkon, při kterém je výhodné odpo-
jit nebo připojit paralelně pracující transformátor.
To vše platí z hlediska fyziky. Pro rozhodování,
jaký transformátor pořídit, však potřebujeme také
vyčíslit náklady na jeho pořízení a provoz.
problém nákladůDo investičních nákladů transformátoru zahrnu-
jeme kupní cenu transformátoru, cenu postavení
stanoviště, dopravy a následné montáže. Kupní
cena transformátoru se odvíjí od výkonu, provedení
a parametrů výrobce, cena se samozřejmě může
lišit podle zvláštních požadavků. Pokud se např.
požaduje lepší odhlučnění, částka se zvýší až o půl
milionu korun.
Náklady na stavbu stanoviště transformátorů
VVN/VN různých výkonů se nebudou příliš lišit
v závislosti na instalovaném výkonu. Stání se totiž
stavějí předimenzovaná – ať už z důvodu snížení
hlučnosti nebo se výhledově počítá s rozšířením na
transformátor většího výkonu.
Nový transformátor se přepravuje vozidlem pro
silniční přepravu těžkých nákladů nebo železničním
hlubinným vozem. Většinou se cena transformátoru
uvádí včetně přepravy. Pokud ne, měli bychom po-
čítat s částkou cca 1 000 korun za kilometr. K tomu
je třeba připočítat cenu složení na stanoviště.
Montáž zahrnuje manipulaci, plnění olejem, ode-
brání vzorků oleje, rozbory oleje, zkoušky a uvedení
transformátoru do provozu, základní měření hluku
v pracovním prostředí, kompletní ustrojení. Do pro-
vozních nákladů zahrnujeme údržbu, revize, opravy
a obsluhu transformátoru.
optimální Velikost noVě insta-loVaného transformátoruK určení optimální velikosti nově instalovaného
transformátoru jsou rozhodující roční nákladové
křivky. Ty obsahují tři složky:
» Investiční náklady INV zahrnující kupní cenu
transformátoru, cenu postavení stanoviště,
dopravu a následnou montáž.
» Provozní náklady Np zahrnující údržbu, revize,
obsluhu a opravy transformátoru.
» Náklady na ztráty elektrické energie.
Roční nákladové křivky transformátorů VVN/
VN různých jmenovitých výkonů, při úrokové míře
5 % a době životnosti transformátoru 25 let, jsou
zobrazeny na obr. 3. Po konzultaci u distributora
jsem cenu za kWh ztrát elektrické energie stanovil
na dvě koruny. Platí za předpokladu, že zatížení
S bude konstantní po celou dobu životnosti trans-
formátoru. Průsečík nákladových křivek z obr. 3
vyjadřuje optimální velikost transformátoru pro
dané zatížení S, které bude v průběhu životnosti
transformátoru konstantní. Optimalizaci návrhu
transformátoru určují nákladové křivky. Z jejich
průběhu plyne, že transformátory o Sn = 25 MVA
a Sn = 63 MVA je vhodné instalovat až do jejich
maximálního výkonu. Průsečík S = 27,35 MVA
určuje rozhodnutí o instalaci transformátoru
o Sn = 40 MVA a Sn = 50 MVA, kdy do zatížení
S = 27,35 MVA je optimální z hlediska nákla-
dů instalovat transformátoru o Sn = 40 MVA,
poté je výhodnější instalovat transformátor
o Sn = 50 MVA. Pro konečné určení optimální veli-
kosti transformátoru zbývá vzít v úvahu, jak velký
je třeba rezervní výkon a spolehlivost v daném
transformačním uzlu.
Podobně můžeme spočítat i optimální velikost
transformátorů s konstantním růstem zatížení
během životnosti.
stručná rekapitulaceVysvětlil jsem a vypočítal hospodárné zatížení,
neboli zatížení, kdy jsou v transformátoru nejmenší
měrné ztráty, a dále přechodový výkon transformá-
toru, při kterém je pro dosažení menších celkových
ztrát výhodnější připojit nebo odpojit další paralel-
ně pracující transformátor. Pro ekonomické srovnání
investic jsem spočítal roční nákladové křivky, kde
jsem zahrnul celkové ztráty transformátoru, inves-
tiční a provozní náklady transformátorů vvn/vn
různých jmenovitých výkonů a pomocí těchto údajů
jsem odvodil optimální velikost transformátoru pro
konstantní zatížení během provozu a optimální ve-
likost transformátoru s konstantním růstem zatížení
po dobu životnosti transformátoru.
Jakub Hron
Jakub Hron pochází z Měšic, je studentem
fakulty elektrotechnické ČVUT, a v 15. ročníku
soutěže vysokoškolských vědeckotechnických
projektů Cena Nadace ČEZ 2014 získal třetí
místo v kategorii Ekonomika a řízení energeti-
ky za práci Hospodárná velikost transformáto-
rů VVN/VN. Protože jeho práce vzbudila velký
ohlas a zájem z řad odborníků na distribuční
soustavu, požádali jsme jej, aby nám napsal
i článek do Třípólu.
, Jakub Hron
3OBR. 1 PRůBěH ČINNýcH zTRÁT V TRANSFORmÁTORU 3OBR. 2 PŘEcHOdOVé VýKONY TRANSFORmÁTORů 3OBR. 3 NÁKLAdOVé KŘIVKY TRANSFORmÁTORU
3 INSTALAcE NOVéHO TRANSFORmÁTORU V ROzVOdNě
5
Nadpis čláNku
Perex článku David Dostál je autorem práce Gravitační vírová elektrárna, s níž se úspěšně zúčastnil studentské soutěže ENERSOL. Pro 3pól na toto téma napsal: „Myslíte, že velké přehradní nádrže, přečerpávací nebo malé vodní elektrárny jsou jediným způsobem využití energie vody? Jeden rakouský vynálezce, Franz Zotlöterer, řekl „ne!“ a přišel s novým druhem vodní elektrárny; ta nejenže vyrábí elektřinu, ale také pozitivně působí na čistotu vody!“ A shrnuje: „Díky obrovskému potenciálu se dá instalovat i na velmi nízkých průtocích. Franz Zotlöterer tvrdí, že by se v Evropě dalo vystavět na 5 miliónů takových vodních elektráren. Perspektivní je i příznivá pořizovací cena elektrárny a stálost výroby elektřiny.“
stáVající podmínkyVelké přehradní nádrže jako zdroj „zelené energie“
slouží spolehlivě už po mnoho let. O jejich pozitiv-
ním účinku na řeku však můžeme pochybovat. Přijít
na možnost získání energie z vody, při kterém by
se nepoškozovalo životní prostředí, se snažilo již
mnoho lidí. Franz Zotlöterer hledal efektivní cestu,
jak pomocí vodní elektrárny nejen vyrobit elektřinu,
ale i v malém potoce poblíž jeho města Ober-
-Grafendorfu okysličit vodu. Jeho zařízení využívá
kinetickou energii toku a současně vodu okysličuje
a umožňuje tak bakteriím významným způsobem
pomáhat čistit říční vodu.
principNěkdo by samozřejmě mohl namítnout, že elektrárna
Franze Zotlöterera pracuje na stejném principu jako
velké elektrárny. To je však omyl. Turbína v jeho
elektrárně nevyužívá rozdílů tlaků hladin jako kon-
venční turbíny, ale pouze pohybové síly vody. Voda
prochází rovným, dlouhým přívodním kanálem a pak
se dostane s tangenciálním (pozn. autora: vychýlení
do boku – v praxi se provádí usměrněním pomocí
zúžení přívodního kanálu) vychýlením do kruhového
základu, kde vytváří stále se zrychlující vodní vír,
který je ve středu nádrže nejrychlejší. Přitom pohání
jednoduchou turbínu. Okysličená voda nakonec
propadne otvorem pod turbínou a odvodní kanál ji
odvede zpět do vodního toku.
spása pro řeku?Tím ale všechny výhody této elektrárny nekončí.
Elektrárna navíc „nerozsekává“ vodu, ale otáčí jí
synchronně při malých otáčkách (přibližně 300
otáček za minutu). Provoz turbíny tak nepředsta-
vuje mechanické nebezpečí pro ryby. S tím souvisí
i další výhoda – konvenční elektrárny přehrazují
celý vodní tok a je tedy třeba budovat tzv. „rybí
přechody“. To samozřejmě zvyšuje pořizovací nákla-
dy elektrárny, což u vírové elektrárny neplatí. Ryby
navíc v letním období strádají nedostatkem kyslíku.
I tento problém řeší nový typ elektrárny – vodu
okysličuje otáčející se turbína a zvíření vody.
nízkootáčkoVá turbínaPrvní prototyp turbíny se skládal pouze ze dvou
stejně dlouhých plastových trubek rozříznutých
podélně. Z nadhledu vypadala jako dvě velká pís-
mena S, která jsou kolmo spojena a jejich středy se
protínají (v bodu protnutí je umístěna hřídel).
Tento typ turbíny je nízkootáčkový a vynikajícího
výkonu dosahuje již při spádu 0,7 m a průtoku
1 m3/s. To umožňuje elektrárnu zbudovat v pod-
statě na jakémkoliv větším potoku. Díky využívání
kinetické energie vody nepůsobí na turbínu žádná
kavitace, tj. poškození turbíny v důsledku vzniku
dutin naplněných vakuem, které posléze implodují.
I přes svou jednoduchost turbína dosahuje velmi
dobré účinnosti 84 %.
pilotní projektMístem pilotního projektu se stalo město Ober-
-Grafendorf, které leží přibližně 60 km od Vídně.
Elektrárna byla spuštěna na začátku roku 2005.
Spád říčky představoval 1,5 m, průtok 0,9 m3/s.
Elektrárna fungovala ihned od počátku zkušebního
provozu bez problémů při výkonu 7,4 kW a účinnosti
74 % (instalovaný výkon je 10 kW). Za rok vyrobí
elektrárna cca 51 MWh elektrické energie. Za osm let
provozu elektrárna do konce roku 2013 vyprodu-
kovala 408 MWh elektrické energie. Při průměrné
spotřebě jedné domácnosti 2,5 MWh za rok tak stačí
zásobovat elektrickou energií dvacet domácností.
Závažnější problém se neprojevil nejen během zku-
šebního provozu, ale ani po celou dobu provozu.
david dostál
O vírové turbíně jsme již psali:
3pol.cz/1456-vut-brno-vyvinulo-novou-virovou-turbinu
3pol.cz/1261-virova-turbina
gravitační vírová elektrárna
inovace ve vodní energetice?
3PROTOTYP TURBÍNY 3ELEKTRÁRNA V OBER-GRAFENdORFU
3zÁKLAdNÍ PRINcIP TURBÍNY
6
třípól | www.tretipol.cz
6 Září 2014
magnetické kapalinyZnáme dva druhy magnetických kapalin: ferokapaliny
a magnetoreologické kapaliny. Ferokapaliny jsou tvo-
řeny velice malými částicemi železa v oleji. Velikost
těchto částeček je menší než 10 nanometrů. Oproti
tomu magnetoreologické kapaliny obsahují částice
zhruba tisíckrát větší. Jejich rozměry jsou v jednot-
kách mikrometrů. Díky různé velikosti částeček se
kapaliny i odlišně chovají. Magnetoreologická kapali-
na v magnetickém poli okamžitě tuhne a její tekutost
můžeme řídit magnetickým polem. Oproti tomu fero-
kapalina zůstane v magnetickém poli tekutá. Právě
tato ferokapalina byla pro můj záměr ideální.
teorie účinnějších motorůOtáčení motoru je způsobeno magnetickým tokem
mezi rotorem a statorem, mezi nimiž je vždy
nezbytná vzduchová mezera. Ferokapalina klade
procházejícímu magnetickému toku nižší magne-
tický odpor než vzduch. Vyplníme-li tedy mezeru
ferokapalinou, magnetický tok a s ním i vykonaná
práce se zvýší. Nevýhodou jsou ovšem vyšší třecí
ztráty způsobené kapalinou.
úVodní experimentyTato myšlenka je poměrně nová a motory se s fero-
kapalinou zatím nevyrábějí. Musel jsem tedy začít
s experimenty, které by prokázaly, že o něčem po-
dobném má smysl vůbec uvažovat. Přes řadu pokusů
s jednoduchými zařízeními se vzduchovou mezerou
dokazující zvýšení magnetických toků a sil při využití
kapaliny jsem se postupně dostal až k samotným
motorům.
Výsledky měřeníNa univerzálním komutátorovém stroji jsem provedl
řadu měření s kapalinou a bez kapaliny. Naměřil
jsem přitom – v závislosti na velikosti magnetické
indukce v mezeře – zvýšení točivého momentu mo-
toru při měření nakrátko o 11,4 % až 47 %. Proud
potřebný pro vyzvednutí závaží motorem se poda-
řilo snížit až o 12,4 % a díky magnetické kapalině
se rozběh motoru zrychlil. Účinnost motoru se do
rychlosti 300 ot/min zvýšila o 5,9 %.
praktické VyužitíPro sestavení prototypu prvního elektrického stroje
s ferokapalinou, který by bylo možné využít v běžné
praxi, bude třeba provést ještě mnoho experimentů
a výpočtů. Prvního září 2014 jsem nastoupil na dok-
torské studium a mám tedy před sebou celé čtyři roky
zajímavých experimentů s magnetickými kapalinami.
Josef Český
Autor získal 2. cenu v soutěži Cena Nadace ČEZ 2014 v kategorii
Elektrické stroje
mohou být elektrické Motory efektivnější?Určitě ano. Před dvěma lety jsem totiž zavítal na Katedru teoretické elektrotechniky na FEL ZČU, kde jsem poprvé v životě uviděl magnetickou kapalinu a současně jsem se dozvěděl o probíhajícím výzkumu možností zlepšení chodu elektrických motorů právě s využitím magnetické kapaliny. Na nic jsem tedy nečekal a okamžitě jsem se ponořil do práce na lepších motorech; výsledek práce se mi podařilo uplatnit i v rámci soutěže Cena Nadace ČEZ 2014.
3 FEROKAPALINA
3 FEROKAPALINA V mEzEŘE mEzI mAGNETY
3 jEdEN z úVOdNÍcH ExPERImENTů
3 mOTOR S mAGNETIcKOU KAPALINOU
Katedra filosofie Fakulty filosofické v Pardu-
bicích ve spolupráci se studenty Universitas
zvou středoškolské studenty a jejich učitele
na přednášky z cyklu Filosofické předpoklady
přírodních věd. Přednášky se uskuteční vždy od
10 hodin v místnosti 11026 univerzitní budovy
EA v Pardubicích-Polabinách.
Aktuálnost Platónova podobenství o úsečce
z hlediska rozdílu mezi vědeckým a filosofickým
myšlením (6. 11. 2014)
Platonův náhled čtyř duševních stavů na slavném
obraze o úsečce představuje i výstižný popis rozli-
šení a zároveň spjatost vědeckého a filosofického
myšlení. V přednášce si toto podobenství přiblížíme
a vyložíme. Přednášku doplní projekce archivního
dokumentu o vědeckém životě Nielse Bohra.
Aktuálnost sporu o univerzálie ve vztahu k vě-
deckým entitám (8. 12. 2014)
Středověký spor o univerzálie navazuje na
antickou otázku, jak něco obecného (např. pojem
živočich) souvisí s různými hmotnými skuteč-
nostmi (jako je člověk, křeček nebo žížala).
Středověké disputace se navíc zabývaly problémem
tzv. trojjedinosti Boží (Bůh Otec, Bůh Syn a Duch
Svatý). V nejmodernější době se aktuálnost všech
dosavadních sporů ukázala například v diskusích
Einsteina s Bohrem o pojetí reality nebo v in-
terpretaci světelné a hmotné kvazičástice (vlna,
částice, „vln-tice“ = kvantová částice).
Rezervace
Rezervace zasílejte do 31. 10. (resp. 30. 11.) na
e-mail [email protected]. Při vyšším
zájmu se organizátoři pokusí vyhovět dalším termí-
nem nebo uspořádáním přednášky na vaší škole.
Bližší informace
Přednášejí Mgr. Filip Grygar, Ph.D., a Bc. Patrik Čermák; po každé
přednášce bude následovat volná diskuse. Více viz bravo.upce.cz
nebo www.nielsbohr.webnode.cz
filoSofické předpoklady přírodních věd
3 „NEExISTUjE KVANTOVý SVěT. ExISTUjE POUzE ABSTRAKTNÍ KVANTOVě FYzIKÁLNÍ dESKRIPcE. jE NESPRÁVNé SE dOmNÍVAT, žE úKOLEm FYzIKY jE zjISTIT, jAKÁ PŘÍROdA jEST. FYzIKA SE zABýVÁ TÍm, cO dOKÁžEmE ŘÍcI O PŘÍROdě.“ N. BOHR
7
Hyacint vodní, neboli tokozelka nadmutá, je jednou z nejinvazivnějších rostlin na světě. Díky svému zajímavému vzhledu se prostřednictvím antropogenní činnosti roznesla na území celého světa, včetně Ameriky, Austrálie, Indie a samozřejmě Afriky. Zde působí mnoho problémů – od komplikací v lodní dopravě až po úplné zarůstaní vodních hladin s následkem odkysličení vody na úkor vodního světa. „Dá se tato hrozba změnit na výzvu a na užitek?“ ptá se autorka vědeckotechnického projetu Lenka Svašková. Se závěry svého úspěšného projektu se rozhodla podělit i se čtenáři Třípólu.
hyacint vodní
záhuba či pomoc?
záhuba?Hubení hyacintu vodního je finančně náročné.
Používají se chemické metody, například postřiky.
Ty sice svůj účel splní, ovšem jen na omezenou
dobu. Navíc kontaminují místní zdroje vody. Jednou
z nejvíce zasažených oblastí je Keňa, která však
bohužel na přímou likvidaci hyacintu vodního
nemá dostatek finančních prostředků, a proto se
snaží na vyhubení tokozelky nadmuté hledat jiná
přijatelná řešení.
naVržené řešeníPrincip se zakládá na samotné „sklizni“ hyacin-
tu vodního z povrchu vod a na jeho následném
zpracování při výrobě ručního papíru. A výsledný
efekt? Sklizeň hyacintu by pomohla obnovit kyslík
ve vodách a oživit vodní faunu, která je pro místní
obyvatele zdrojem potravy. Hyacint vodní by se
efektivně spotřebovával na ruční papír, což by moh-
lo podpořit vznik nových pracovních míst a zlepšit
příjmovou situaci rodin v Keni, užitečné by mohlo
být i zásobování místních škol „domácím“ papírem
jako učební pomůckou.
Na projektu pracuji pod odborným vedením
pedagogů z Univerzity Pardubice, Fakulty chemicko
technologické, s panem Ing. Janem Gojným, Ph.D.,
a Ing. Břetislavem Češkem, CSc. Na samotném
počátku práce jsem se snažila zjistit, zda je vůbec
možné papír z hyacintu vyrobit. Následně jsem
zdokonalovala techniku výroby, zjišťovala potřebné
poměry surovin a vyzkoušela jsem mechanické
vlastnosti papíru, který jsem porovnávala s běžně
dostupným papírem. Také jsem se snažila papír
připravit nejen pomocí dnešní moderní strojové
techniky, ale i ručně. Celý proces jsem přitom
přizpůsobovala keňským podmínkám.
pomoc na místěPřímo v Keni jsem kontaktovala místního uči-
tele Bc. Okoda Mosese, který je velice ochotný
a s realizací projektu mi pomáhá. Mou vizí není
pouze pomoc Keni, ale všem podobně postiženým
oblastem světa trpícím nedostatkem finančních pro-
středků. Prozatím je však mým přáním zrealizovat
projekt na ostrově Rusinga v Keni, který je zřejmě
hyacintem vodním kontaminován nejvíce, a pomoci
tak místním obyvatelům.
Ukázalo se, že realizace projektu je reálná. Nej-
větším problémem realizace celého projektu v Keni
je ale bohužel již zmíněný nedostatek finančních
prostředků. Uvítali bychom proto jakoukoli finanční
pomoc a podporu ze strany organizací, firem či
od fyzických osob.
lenka svašková
Lenka Svašková z Gymnázia Dašická v Par-
dubicích získala se svým projektem Hyacint
vodní jako zdroj suroviny pro výrobu ručního
papíru 5. místo v soutěži Expo Science
Amavet 2014 a tím i postup do užšího výběru
na 35. ročník Beijing Youth Science Creation
Competition v Číně v roce 2015. Budeme jí
držet palce!
,Lenka Svašková
7 AUTORKA PŘEBÍRÁ cENU zA SVůj PROjEKT V SOUTěžI ExPO ScIENcE AmAVET 2014 (FOTO: ARCHIV ČEZ)
1 RUČNÍ PAPÍR z HYAcINTU PŘIzPůSOBENý KEňSKým POdmÍNKÁm (FOTO: AUTORKA ČLÁNKU)
5 UČITEL OKOd mOSES z KENI, KTERý AUTORcE POmÁHÁ S PROjEKTEm (FOTO: AUTORKA ČLÁNKU)
3 POd zÁPLAVOU TOKOzELKY NENÍ VOdNÍ HLAdINU ANI VIděT (ZDROJ: www.E‑HERBAR.NET/MAIN.PHP?G2_ITEMID=29293)
třípól | www.tretipol.cz
8 Září 2014
Kateřina Blažková ze SPŠ chemické z Brna se spolu s Veronikou Abrahamovou probojovaly až do finále celostátní soutěže vědecko‑technických projektů středoškoláků Expo Science Amavet 2014. Hlavním cílem jejich projektu bylo stanovit obsah kyseliny erukové v olejninách a luštěninách, vedlejším cílem práce bylo shromáždit kompletní informace o této látce a o rostlinách, v kterých její obsah stanovovaly.
kySelina eruková v luštěninách a olejninách
obecné informace a trochu historieKyselina eruková (vzorec CH3(CH2)7CH=CH(CH2)11COOH)
patří mezi karboxylové kyseliny. Obsahují ji
brukvovité rostliny, především semena řepky, lupiny
a hořčice. Kyselina eruková se řadí mezi kardioto-
xické sloučeniny – její požívání může vést k zánětu
srdečního svalu, myokardiální fibróze a akumulaci
lipidů v srdci. Dříve byl její obsah v řepce okolo
50 % (ze všech mastných kyselin), poté, co se
zjistila její zdravotní závadnost, se její obsah
na doporučení ministerstva zdravotnictví snížil pod
hranici 5 %. Roku 1974 se nakoupila šlechtěná se-
mena a začaly zkoušky. V roce 1977 byla jako první
povolena francouzská odrůda Primor s obsahem
kyseliny erukové pod 2 %. Řepkový olej se používá
do změkčovadel a maziv, do bionafty a do experi-
mentálního léčiva, tzv. Lorenzova oleje.
postup prácePracovaly jsme v Ústavu výživy zvířat, fakulty
Veterinární hygieny a ekologie, Veterinární a farma-
ceutické univerzity Brno. Vzorky rostlin pocházely
ze stanice Ústředního kontrolního a zkušebního
ústavu zemědělského. Vybraly jsme soubor odrůd,
které jsou uznanými odrůdami s možností pěstování
na území České republiky: řepku olejnou – ozimou,
slunečnici roční, mák setý, len setý, sóju luštinatou,
hrách, bob a lupinu.
Postup přípravy vzorků je založen na extrakci tuku
podle Soxhleta transesterifikací vzorku pod chladi-
čem (chemická reakce, při které dochází k přeměně
jednoho fosfátového esteru v jiný), na oddělení iso-
oktanové fáze a na nástřiku vzorku do analyzátoru.
Obsah kyseliny erukové ve vzorcích jsme detegovaly
pomocí plynové chromatografie.
U každé olejniny či luštěniny jsme stanovovaly
minimální hodnotu a maximální hodnotu kyseliny
erukové. Z těchto hodnot jsme vytvořily průměr.
Dále jsme vypočítaly směrodatnou odchylku. Vý-
sledný obsah kyseliny se zapisoval v g/100 g oleje.
Celá analýza jednoho vzorku zabrala zhruba deset
hodin. Dát našemu projektu finální podobu trvalo
přes pět měsíců.
VýsledekŽádná rostlina nepřekročila povolený maximální
obsah kyseliny erukové 5 %. Rostliny slunečnice
roční, len přadný a olejný, mák setý a sója luštinatá
obsahovaly dokonce méně než 0,0001 g/100 g oleje
této látky. Nejvíce kyseliny erukové obsahovala
lupina: 1,803 g/100 g oleje.
Ujistily jsme se, že všechny rostliny obsahují
minimální množství kyseliny erukové. Také se nám
podařilo sepsat kompletní informace o této látce,
které v podobném rozsahu v češtině dosud nejsou
k dispozici. Tento výzkum lze aplikovat i na rostli-
ny, které se pěstují mimo Českou republiku a také
na vybrané druhy ořechů.
poděkoVáníZa spolupráci na projektu děkuji své spolu-
žačce Veronice Abrahamové, za konzultantce
prof. Ing. Evě Strakové, Ph.D. a Ing. Zden-
ce Kučerové.
kateřina blažková
3KATEŘINA BLAžKOVÁ A VERONIKA ABRAHAmOVÁ (UPROSTŘEd) PŘI UdÍLENÍ cEN V SOUTěžI ExPO ScIENcE AmAVET 2014
3ŘEPKA OLEjKA, dNES ČASTO PěSTOVANÁ NA ČESKýcH POLÍcH PRO VýROBU BIONAFTY, jE ČASTO OBVIňOVÁNA zA OTRAVY SRNČÍ zVěŘE KYSELINOU ERUKOVOU
9
Proč jste si vybral toto téma?
Zajímá mne problematika přeměny energie vody
na energii elektrickou. Navíc se mi líbilo, že se
jedná o relativně starý a dlouho se vyvíjející obor
s českou tradicí. Mohl jsem proto ve své práci
čerpat z celé řady vysoce odborných publikací a do-
tazovat se na různé technické a ekonomické údaje
firem zabývajících se výrobou komponent pro malé
vodní elektrárny (MVE).
Jak jste pracoval na své práci a kdo Vám pomáhal?
Po konzultaci s vedoucím své bakalářské práce pa-
nem Ing. Lukášem Radilem, Ph.D., jsem se nejdříve
zabýval nastudováním legislativy a teoretickou
částí, která zahrnovala popis jednotlivých technolo-
gických a stavebních částí MVE. Dost mne zarazila
náročnost celého legislativního procesu při výstav-
bě, který v ideálním případě trvá celý rok, což není
málo. Dále jsem se zaměřil na praktickou část, tedy
již na samotný fyzikální a konstrukční návrh MVE
pro mnou zvolenou lokalitu.
Z jakého předpokladu jste vycházel a co jste
zjistil?
Vycházel jsem z předpokladu, že u nově budované
MVE se klade důraz nejen na technologické řešení
s vysokou účinností, ale především na ekonomiku
celého projektu. Požaduje se co nejvyšší rozdíl zisku
energetického zdroje a pořizovacích nákladů na něj.
Zjistil jsem, že hlavním prvkem utvářejícím tento roz-
díl je bezesporu samotná turbína. Její velikost ovliv-
ňuje množství využitého průtoku, vyrobené energie
a tím pádem i velikost zisku. Náklady na ni pak tvoří
majoritní část pořizovacích nákladů – přibližně 60 až
80 % v závislosti na ostatních podmínkách lokality.
V červnu proběhlo finále již 15. ročníku soutěže vědeckotechnických prací vysokoškoláků Cena Nadace ČEZ. Druhou cenu v kategorii Obnovitelné zdroje energie získal student VUT Brno Jiří Košíček. Třípól jeho práce zaujala, položil mu tedy několik otázek.
student navrhl vodní elektrárnu
3jIŘÍ KOŠÍČEK zÍSKÁVÁ cENU zA 2. mÍSTO V SOUTěžI cENA NAdAcE ČEz 2014 V KATEGORII OBNOVITELNé zdROjE
Při návrhu jsem zvažoval použití turbíny různých
pracovních průtoků a zvolil jsem nejekonomičtější
variantu. Je nutné dodat, že se cena vodního
motoru s velikostí pracovního průtoku nezvyšo-
vala lineárně, ale naopak nelineárně. Tento stav,
jehož příčinou jsou ceny výrobců vodních motorů,
vedl k tomu, že MVE vybavená větší turbínou byla
ekonomičtější, než MVE vybavená turbínou menší.
To však platilo pouze do určité míry, pak začal zisk
výrobny klesat z důvodu předimenzování. Pokra-
čoval jsem návrhem generátoru, systému převodů,
kompenzací, vyvedení výkonu a po konzultaci s vý-
robcem vybrané turbíny jsem zvolil vhodný řídicí
systém. MVE vybavená použitou technologií by se
měla při současných výkupních cenách elektřiny
sama zaplatit přibližně za 11 let a zbytek doby
životnosti by již měla být výdělečná.
Jaké má Vaše práce další využití?
V posledních letech se o obnovitelných zdrojích
stále více diskutuje. Vzhledem ke geografickému
umístění České republiky, které neumožňuje další
stavbu velkých vodních elektráren, předpokládám,
že se budou stavět pouze malá vodní díla. Těch je
dnes u nás oproti minulosti relativně málo – při-
bližně 1400. Ještě před několika desítkami let jich
existovalo asi 11 400! Z toho vyplývá, že prostor
pro stavbu MVE u nás skutečně existuje, že není
zanedbatelný, a že bude potřeba znalostí pro jejich
konstrukci. Snad moje práce k předání takových
znalostí přispěje.
Jiří Třípólu prozradil, že jednou by si chtěl tako-
vou malou vodní elektrárnu sám postavit. Gratu-
lujeme k získání ceny a držíme palce, ať úspěšně
dostuduje a ať se mu jeho sen s MVE splní!
red
zdroj
Košíček, J.: Návrh malé vodní elektrárny. Bakalářská práce.
Brno: Ústav elektroenergetiky FEKT VUT v Brně, 2014, 84 stran.
3 TURBÍNA. jAKO VOdNÍ mOTOR BYLA zVOLENA BÁNKIHO TURBÍNA Od FIRmY cINK HYdRO-ENERGY. jEdNÁ SE O mÍRNě PŘETLAKOVOU TURBÍNU S TANGENcIÁLNÍm OSTŘIKEm OBěžNéHO KOLA. jE KONSTRUKČNě jEdNOdUŠŠÍ A jEjÍ VýHOdOU jE RELATIVNě NÍzKÁ cENA A NENÁROČNOST PROVOzU.
třípól | www.tretipol.cz
10 Září 2014
Tam, kde se setkává studený mořský Hum-
boldtův proud se suchým horkým vzduchem
vanoucím ze severu Čile, vyvstává z Pacifiku
hustá mlha. Vítr ji žene do vnitrozemí přes vyprah-
lé pobřeží – a zde, za pouští, jako zázrakem bují
svěží les.
oValleV malém městě Ovalle na jih od Atacamy se snaží
drobní zemědělci pěstovat hrozny, avokáda a arty-
čoky. Ztenčující se zásoby vody je nutí hospodařit
s vodou jen na příděl. V listopadu loňského roku se
na kopci nad Ovalle objevil nevelký, čtvercový bill-
board. Nejde ale o obrázkovou reklamu. Mezi dvěma
sloupky je napnutá síť z nerez oceli, pod ní korýtko
ústící do plastového sudu. Je to past na mlhu. Lov
mlhy do ok sítě ale není jednoduchý. Jsou-li oka
malá, nasají příliš mnoho vody a ta nebude odtékat.
Budou-li velká, vítr bude vyfukovat kapičky bez
užitku ven. Zemědělci v této části Čile se snaží
chytat mlhu již desítky let, aby pomohli zavlažovat
svou úrodu. Různé typy sítí, které dosud vyzkoušeli,
však nebyly příliš účinné.
past na mlhu „Naše lapače na mlhu jsou mnohem účinnější, než
dosavadní polyetylénové,“ říká Gareth McKinley
z MIT. Se svými kolegy se zabývá optimalizací hus-
toty ok a materiálu sítě. Používají síť se speciálním
hydrofobním potahem, aby maximalizovali její
účinnost. V závislosti na síle větru a na dalších pově-
trnostních faktorech se za den tradičně zemědělcům
daří zachytit průměrně pět litrů vody na čtvereční
metr sítě. McKinleyův design zachytí až 12 litrů
na čtvereční metr denně. Richard LeBoeuf a jeho
studenti z University of Los Andes v čilském hlavním
městě Santiagu sestrojili sondu, která měří obsah
vlhkosti a rychlost mlhy v převládajícím směru. Data
z desítek těchto sond se přenášejí k vyhodnocení
bezdrátově 400 kilometrů daleko (mimochodem
tento jejich projekt se dostal až do finále soutěže
Vodaphone‘s 2014 Wireless Innovation competition).
„Dalším krokem ve vývoji bude mechanismus, který
by natáčel sítě podle směru větru, a nakonec pře-
chod od experimentů k průmyslové výrobě,“ líčí bu-
doucnost Pilar Cereceda, geograf z Pontifical Catholic
University of Chile, který má v týmu na starosti výběr
stanovišť a podchycení zájmu lokálních zemědělců.
„S finanční podporou vlády bychom mohli technolo-
gii nasadit v širším měřítku,“ říká Cereceda.
přes 20 let zkušenostíKanadská nezisková společnost FogQuest zkouší
pomáhat suchým chudým oblastem už od roku
1987. Prototypy svých sítí Raschel z polyetylénu
a polypropylénu instaluje nejen v Čile, ale i v Gua-
temale, Etiopii, Nepálu, Maroku, Izraeli a jinde.
Náklady na pořízení lapače mlhy závisejí hlavně
na jeho umístění (morfologie svahu, přístupnost
atd.). Velký kolektor o ploše 40 m2 dodávající kolem
200 l vody denně může stát od 1 000 do 1 500 USD
a vydrží 10 let. Projekt na získání 2 000 litrů vody
denně pro celou vesnici může přijít na 15 000 dola-
rů. „Představte si budoucí chytače mlhy jako farmu
ne nepodobnou farmě větrných elektráren, dvacet
nebo sto sítí na svahu,“ říká McKinley. „Kdekoliv
na svahu, kde můžete postavit billboard nebo mo-
bilní anténu, může stát i lapač mlhy. Nepotřebuje
elektřinu, všechnu práci udělá příroda.“
(red)
zdroj: New Scientist
V poušti Atacama v Čile neprší. Tým složený z vědců z Čile a Massachusetského institutu technologie (MIT) ale pracuje na tom, aby i tady byla voda na zavlažování a pití. Chytají a zkapalňují mlhu.
chytači Mlhy
3 SÍť NA mLHU (ZDROJ: FOGQUEST)
» mlha se skládá z kapiček vody o velikosti
1 až 40 mikrometrů (μm), typicky 10 μm?
» kubický metr mlhy obsahuje
od 0,05 do 0,5 g kapalné vody?
» lapač mlhy může velmi účinně zachytávat
i déšť?
,Víte, že…
» www.newscientist.com/article/mg22229754.400-fog-
-catchers-pull-water-from-air-in-chiles-dry-fields.html#.
VBBqVFeqIo2
» www.fogquest.org
» Video miracle in the mist
www.youtube.com/watch?v=v6TIzcFruXk&list=PLOl-
S25wz_O7FHKT2iZdKjXgps08XU0N6G
,WWW
11
Skla z Libyjské pouště (Libyan Desert Glass – LDG) jsou přírodní skla s vysokým obsahem SiO2 (až 99 hm. %). Vyskytují se v jihozápadní části Egypta na hranici s Libyí v tzv. Velkém písečném moři, mezi písečnými dunami na ploše 2000 až 6500 km2. Jsou impaktového původu a za jejich vznik tedy může dopad meteoritu (podobně jako za vznik našich vltavínů).
Skla z libyjSké pouŠtě: složení a možný původ
Nacházejí se ve velikosti od drobných
gramových kousků až po bloky okolo 25 kg.
Jsou většinou téměř čirá a bezbarvá, některá
mléčně zabarvená, popř. s odstínem do zelena
či žluta. V některých vzorcích o větší velikos-
ti se vyskytují hnědé inkluze, které odpovídají
svým chemickým složením, izotopovým složením
a obsahem např. hliníku, osmia a rhenia kamenným
meteoritům (chondritům). Pravděpodobně tedy jde
o kontaminaci extraterestrickou hmotou impaktoru.
historieLDG byly poprvé popsány ve 30. letech minulého
století. V průběhu dalších let různí autoři jejich
původ připisovali řadě procesů – od vzniku při výboji
blesku (fulgurit) přes biogenní původ až po impak-
tový proces. V dnešní době většina badatelů usuzuje
na impaktový původ, což jednoznačně dokazuje
řada faktorů, např. přítomnost lechatelieritu, tj.
přetaveného křemene, jehož vznik vyžaduje teplotu
vyšší než 1713 °C, nebo badeleitu – ZrO2, vysokotep-
lotního produktu zirkonu vznikajícího při teplotě nad
1676 °C. Tak vysoké teploty lze dosáhnout pouze
při dopadu kosmického tělesa. Pro impaktový původ
hovoří i obsah platinových kovů, které se vyskytují
v meteoritech v mnohonásobně vyšší koncentraci
než v horninách zemské kůry, i zvýšený podíl Fe
a Ni. Stáří skel bylo stanoveno pomocí stop štěpných
trosek (fission-track datování) na cca 29 milionů let.
analýza jadernými metodamiV naší práci jsme dostupnými variantami instru-
mentální neutronové aktivační analýzy (INAA)
a fotonové aktivační analýzy (IPAA) analyzovali
devět vzorků větších kusů skel o rozměrech 2 až
5 cm. Bylo stanoveno celkem 44 stopových i mak-
ro-prvků. K ozařování vzorků pro INAA jsme použili
reaktor LVR-15 Centra jaderného výzkumu Řež,
pro IPAA mikrotron MT-25 Ústavu jaderné fyziky
AVČR, v.v.i. Gama záření ozářených vzorků se měřilo
polovodičovými detektory. Pro kontrolu správnosti
analýzy se současně se vzorky analyzoval referenční
materiál Sklářský písek Střeleč SPS1, který je svým
složením LDG velice blízký.
Výsledky Výsledky analýz naznačují, že zdrojovým materiálem
byl zřejmě velmi čistý křemenný pískovec. Minoritní
složkou zdrojového materiálu byly jíly působící
jako tmel pískovců. Obsahy indikačních prvků
extraterestrického materiálu (Cr, Co, Ni) jsou v námi
studovaných vzorcích velice nízké (<<1 hm. %).
Obsahy prvků vzácných zemin ukazují, že zdrojový
materiál musí mít pozemský původ a musí pocházet
ze svrchní kůry Země. Zvýšený obsah těžších prvků
vzácných zemin Yb, Lu lze vysvětlit poměrně
vysokým obsahem Zr ve sklech LDG, jehož zdrojem
byl zřejmě minerál zirkon; ten je hostitelem těchto
prvků i Th a U. Vzhledem k tomu, že podobně jako
křemen je zirkon i další minerály, jako rutil, ilmenit
(Ti-minerály) aj., rezistentní vůči zvětrávání, lze
předpokládat, že tyto složky zdrojový materiál
obsahoval. Za povšimnutí stojí i výrazné ochuzení
těkavých prvků (alkalické kovy, Zn, As, Br, Sb)
nasvědčující jejich ztrátám odpařením.
kde a jak skla VzniklaJak vyplývá z našich i publikovaných dat, nelze
pochybovat o tom, že LDG jsou křemenná skla
(lechatelierit) vzniklá za vysokých teplot přesahu-
jících 1700 °C. Takové podmínky poskytují právě
impaktové procesy. Většina LDG jsou větší kusy až
bloky vrstevnatého charakteru. Vzhledem k tomu,
že se nacházejí na poměrně malé a ohraničené
ploše několika tisíc kilometrů čtverečních, dlouhou
dobu bylo záhadou umístění jejich mateřského
kráteru. Teprve nedávno byl popsán kráter Kebira
ležící na hranici Egypta a Libye, o průměru zhruba
31 km, starý 28,5 milionů let, který odpoví-
dá stáří LDG. Tato oblast byla ve svrchní Křídě
3KOPEc z ROzTAVENéHO PÍSKOVcE jIžNě Od SUBVUL-KANIcKé TRHLINY S VýRONEm KŘEmENNýcH ROzTOKů (ZDROJ: www.B14643.DE/SAHARA/LDG)
3cRISTOBALIT – KRYSTALIcKÁ mOdIFIKAcE OxIdU KŘEmIČITéHO (ZDROJ: www.B14643.DE/SAHARA/LDG)
třípól | www.tretipol.cz
12 Září 2014
(Cenoman/Turon, 90 milionů let) zalita oceánem
Tethys. Vznik zdrojových materiálů LDG sedimentací
v mořském prostředí nedávno indikovala i analýza
izotopového složení lithia přítomného v LDG.
Otázkou je, jaký impaktový proces dal libyjským
sklům vzniknout. Na základě našich zkušeností
získaných při studiu vzniku jiných tektitů a impak-
tových skel, jako vltavínů, australoasijských tektitů
(AAT) a irgizitů z kráteru Žamanšin, můžeme usuzo-
vat na následující procesy vedoucí k jejich vzniku.
Vltavíny, AAT i irgizity vznikly z nezpevněných se-
dimentů jako půd, spraší, písku, v případě vltavínů
i za účasti živé i odumřelé biomasy. Většinou mají
kapkovitý nebo knoflíkový tvar dokazující tvarování
sklovité taveniny při průletu atmosférou. Tyto
tektity zřejmě vznikaly při šikmém dopadu (pod
úhlem cca 20 až 40°) meteoritu o průměru stovek
a více metrů, a to vlivem čelní rozžhavené plasmy,
která taveninu vymetla, aniž by ji kontaminovala
materiálem impaktoru.
Irgizity, vzhledem k jejich malé velikosti,
rozmanitosti a složitosti tvarů, vznikly zřejmě
turbulentními proudy žhavé plasmy, která unikala
pod vysokým tlakem kolem impaktoru při jeho
boření z povrchu do hloubky, při téměř kolmém
dopadu tělesa. V počáteční fázi boření impaktoru
vznikaly taveniny z povrchových vrstev, které byly
kontaminovány materiálem meteoritu (v irgizitech
až 20 %). Protože takové tvary ani tak vysoký podíl
meteoritické hmoty se v LDG nenašly, lze podobný
proces při jejich tvorbě vyloučit.
LDG jsou obvykle větší kusy skla, u nichž chybí
kapkovité a knoflíkovité tvary se znaky delšího
průletu popř. i zpětného návratu atmosférou
vysokou (sub-kosmickou) rychlostí s opětov-
ným tavením, jako je tomu u AAT (australitů)
i některých vltavínů. Můžeme usuzovat, že LDG
vznikla při dopadu velkého kosmického tělesa
o průměru 1 až 1,5 km (pokud je mateřským
kráterem Kebira) pod standardním úhlem okolo
30°. Vzhledem k odlišnému charakteru dopado-
vého místa však nevznikly klasické tektity, které
by byly vyvrženy do velkých vzdáleností stovek
až tisíců kilometrů. Zřejmě tento faktor, kdy je
hornina v místě dopadu kompaktní (jako např.
u pískovce, bazaltatu, granitu aj.), hraje důleži-
tou roli. Potom by tavenina vzniklá na povrcho-
vých vrstvách epicentra – hlavně vlivem radiace
z čela impaktoru a následně i vlivem vysokotep-
lotní plasmy (~105 K) o tlaku řádu 109 Pa – byla
ve větších kusech vyvržena do relativně blízkého
okolí řádu desítek až stovek kilometrů.
Zdeněk řanda, Jiří MiZera,
ivana krausová
Aktivační analýza je jadernou analytickou
metodou umožňující simultánní stanovení
koncentrace řady prvků v různých typech
vzorků. Zakládá se na ozařování (aktivaci)
vzorku vhodným typem záření, které
indukuje v jádrech atomů vzorku jaderné
reakce vedoucí k přeměně většinou původně
neradioaktivních jader v jádra radioaktivní.
Měřením jejich charakteristického, převážně
gama, záření lze stanovit typ a celkové množ-
ství prvku přítomného ve vzorku, a to bez
nutnosti chemické úpravy a destrukce vzorku
(v tzv. instrumentální, neboli nedestruktivní
variantě metody). Největší analytický poten-
ciál nabízejí aktivace neutrony a fotony – in-
strumentální neutronová a fotonová (gama)
aktivační analýza (INAA a IPAA) –, ale
využívá se i aktivace nabitými částicemi.
Nejvýhodnějším zdrojem neutronů pro
INAA je jaderný reaktor, nejlépe s výrazně
termalizovaným spektrem neutronů. Zdrojem
vysokoenergetických fotonů pro IPAA je
většinou brzdné záření produkované konverzí
elektronového svazku urychleného lineárním
nebo cyklickým elektronovým urychlovačem
(linac, mikrotron).
,Neutronová a fotonová (gama) aktivační analýza
1 EGYPTŠTÍ ŠPERKAŘI POUžÍVALI LIBYjSKÁ SKLA POdOBNě jAKO POLOdRAHOKAmY – NA SNÍmKU TUTANcHAmONůV PŘÍVěSEK S POSVÁTNým SKARABEEm z LdG zE SBÍREK mUzEA V KÁHIŘE (ZDROJ: UPLOAD.wIKIMEDIA.ORG/wIKIPEDIA/COMMONS/8/88/TUTANKHAMUN_PENDANT_wITH_wADJET.JPG)
3OzNAČUjE TATO BREKcIE S NAdBYTKEm KŘEmÍKU PŘEdPOKLÁdANý HLAVNÍ zLOm? (ZDROJ: www.B14643.DE/SAHARA/LDG)
3mÍSTO S ROzTAVENýmI PÍSKOVcI NA PŘEdPOKLÁdANé zLOmOVé LINII AqUABA (ZDROJ: www.B14643.DE/SAHARA/LDG)
3LdG S TmAVýmI PRUHY (ZDROJ: www.B14643.DE/SAHARA/LDG)
3LIBYjSKé POUŠTNÍ SKLO S mNOHA NEdEFINOVANýmI INKLUzEmI (ZDROJ: www.B14643.DE/SAHARA/LDG)
13
píli a v neposlední řadě i odvahu. Má štěstí, nebo
smůlu, že žije v informačním věku a o jeho zálibě se
dozvěděl svět. Zajímavé je, že jediný rok, o který se
Jamie narodil později než Taylor, z něj udělal hvěz-
du! Jamie má v patách hordu novinářů a všimne si
ho i novinář z Česka, kdežto o Taylorovi se toho moc
neví. Možná projevila snahu zviditelnit se spíš škola,
která potřebuje peníze, než otcova garáž…
náVštěVa cadaracheZatímco ve vedení některých ústavů v české kotlině
bohužel přežívá názor, že popularizace vědy je
věc zbytečná, generální ředitel ITER Organization
briskně využil příležitosti a pozval Jamieho do
Cadarache, kde se staví skutečný termojaderný
reaktor. V čele padesátky novinářů strávil Jamie
na stavbě dva dny. Jako hostitel ho přijal profesor
Osamu Motojima. Jamie si prohlédl staveniště, ptal
se a zapisoval. A poskytl řadu rozhovorů. Konečně,
nebyly to jeho první interview. Jamie byl hostem
Late Show Davida Letgermana (CBS) vysílané
z Broadway v New Yorku! Co vy na to, Jene Krausi?
Profesor Motojima předal Jamiemu na památku
originálního setkání vzorek niob-cínového supravo-
diče, z kterého budou vyrobeny cívky toroidálniho
pole. Vzorek obohatí studentovu sbírku jaderných
suvenýrů a návštěva ITER Site obohatí Jamieho
termojaderný rozhled.
Celá ta sláva má nezanedbatelný význam. Slovut-
ný talkshowman David Letterman a jeho posluchači
nikdy o termojaderném slučování neslyšeli, netušili,
že je nějaký rozdíl mezi fusion a fission, mezi ja-
derným slučováním a jaderným štěpením. Nyní tuší,
někteří i pochopili a ví. Jsou to voliči a jimi zvolení
zákonodárci rozhodují o financování vědeckých
projektů, jako je například termojaderná fúze. Jako
je například ITER!
Milan řípa
O fúzoru jsme psali v:
» 3pol.cz/1183-fuzor
» 3pol.cz/1091-termojaderna-fuze-jako-podnikatelsky-zamer
» 3pol.cz/779-inercialni-elektrostaticke-udrzeni
(Fotografie uveřejněny s laskavým svolením ITER Organization.)
Pamatujete si, co jste dělali, nebo co jste si přáli dělat, když vám bylo třináct let? Jistě, líbila se vám Irenka, co seděla vzadu v prostřední řadě. A co vy, dnešní třináctiletí? Nevíte co s volným časem? Jamie Edwards, žák Penwortham Priory Academy v Lancashire, sestrojil jaderný reaktor. V době kdy se do školní laboratoře nahrnuli novináři, bylo Jamiemu právě oněch třináct let!
teenager postavil jaderný reaktor
Zhruba takovou informaci jste našli v tisku.
A nejen v zahraničním, o Jamiem psal inter-
net i česky. Český rozhlas Leonardo uklidnil
čtenáře, že se nejedná o zmenšeninu Temelína,
ale o zcela jiný typ reaktoru, který není vůbec, ale
vůbec nebezpečný. Neprobíhá v něm řetězová reak-
ce, ale slučují se v něm jádra kupříkladu deuteria.
Tedy něco podobného, co vyrůstá v Cadarache pod
taktovkou Evropské unie a dalších šesti států za
ohromující sumu 12 miliard eur. No a pak se objeví
mladý génius a za pár tisíc pod odborným vedením
sešroubuje přístroj – fungující jaderný reaktor!
je to Vůbec možné?O fúzoru 3pól již psal, tudíž čtenáři vědí, že existu-
je způsob, jak poměrně jednoduše a lacino vypro-
dukovat „fúzní“ neutrony. Také dobře vědí, že fúzor
má do jaderného reaktoru opravdu hodně daleko.
Pro jistotu si zopakujme, že se jedná o kulový elek-
trostatický urychlovač, kde sice ke sloučení jader
může dojít, ale rozhodně bez kladného energetic-
kého zisku. Tudíž žádný reaktor. Ovšem vysvětlujte
novinářům, že úderný titulek „Třináctiletý chlapec
sestrojil jaderný reaktor“ hlásá nepravdu.
jamie byl nejmladšíJamie Edwards tedy sestavil fúzor, ostatně jako
celá řada mládežníků před ním. Jamie Edwards byl
z nich ale nejmladší. Tayloru Wilsonovi z Michiganu
bylo 14 let, když se mu povedlo v garáži v roce
2012 totéž co Jamiemu letos ve školní laboratoři.
V roce 2006 postavil fúzor produkující neutrony
17letý Thiago Olson z Oakland Township nedaleko
Detroitu. Podrobněji o principu jsme psali v článku
3pol.cz/779-inercialni-elektrostaticke-udrzeni,
kde jsou i fotografie teenagera s jeho fúzorem.
A nemusíme ani do Ameriky: o fúzoru, který sestro-
jili dva středoškoláci ze slovenského Martina, jsme
psali v roce 2012 v článku 3pol.cz/1183-fuzor.
V každém případě můžeme před třináctiletým
badatelem smeknout. Jamie musel projevit experi-
mentální zručnost, technické a fyzikální znalosti,
3PROFESOR mOTOjImA, GENERÁLNÍ ŘEdITEL ITER ORGA-NIzATION, PŘEdAL jAmIEmU NA PAmÁTKU ORIGINÁLNÍ-HO SETKÁNÍ VzOREK NIOB-cÍNOVéHO SUPRAVOdIČE
3NOVINÁŘI BYLI U VYTRžENÍ. VŠImNěTE SI „SPONzORSKéHO“ PANELU V POzAdÍ I FIREmNÍHO PLÁŠTě mLAdéHO ExPERImENTÁTORA…
největšívědecký
festival
v české republice
praha / brno / Ostrava / Zlín / české budějoviceplzeň / Olomouc / Hradec králové / pardubicejihlava / Ústí nad labem
přednášky / promítání filmů / výstavy / vědecké kavárnysemináře / workshopy / prezentacepanelové diskuze / exkurze / on-line přenosyvědecké experimenty / technické vynálezysoutěže a kvízy / dny otevřených dveří
Přírodovědci.cz _ 210x115mm.indd 1 21.7.2014 10:24:50
třípól | www.tretipol.cz
14 Září 2014
Na své cestě za významnými vědci a techniky se tentokrát vydáme do poměrně vzdálené minulosti, abychom si připomněli 800. výročí narození anglického vědce Rogera Bacona, velkého vizionáře vědeckotechnického pokroku a průkopníka experimentálních metod ve vědeckém zkoumání.
vizionář
Roger Bacon se narodil roku 1214 v Ilchesteru
v anglickém hrabství Sommerset. Studoval
v Paříži a v Oxfordu, kde také od roku 1240
působil jako univerzitní mistr. Od mládí byl členem
františkánského řádu, jehož pravidla však při své
vědecké práci často porušoval. Na rozdíl od tehdy
obvyklé tendence byl kritikem Aristotela, ale děl
(zejména matematických) antických učenců si vá-
žil. Dokonce se naučil řecky, aby je mohl studovat
v originále. Prosazoval zejména matematiku, kterou
dobře znal, ale sám ji aktivně nerozvíjel. Považoval
ji však za nutnou součást zkoumání a popisování
přírodních jevů i za důležitý nástroj pro praktický
život. Vyznal se i v astronomii a medicíně, chemii
(a spolu s ní i alchymii) se učil od učenců arab-
ských. Nejvíce se zaměřoval na optiku.
důraz na logiku a přírodoVědné VzděláníVelmi usilovně prosazoval změnu vyučování
na církevních školách (což byly tehdy de facto
všechny) – místo neživotné scholastiky kladl důraz
na logiku a přírodovědné vzdělání. Za základní
pramen poznání považoval experiment, přičemž
poukazoval na podstatný rozdíl mezi pouhým
pozorováním jevů a plánovaným experimen-
tem. Na toto téma sepsal tři velké spisy –
Opus maius (Větší dílo), Opus minus (Menší dílo)
a Opus tertium (Třetí dílo). Jeho bádání bylo pro
současníky často obestřeno tajemstvím, a tak
není divu, že byl stále v podezření z čarodějnictví
či alespoň z neúcty k církevním dogmatům. V roce
1278 byl také uvězněn a na svobodu se dostal až
po deseti letech na nátlak předních anglických
šlechticů. Stále se však pohyboval mezi svobodou
a žalářem, podle toho, jak osvícený papež byl
zrovna u moci.
rychlost sVětla je konečná a další pokusyZ jeho konkrétních pokusů uveďme alespoň
pozorování zatmění Slunce pomocí temné komory,
zkoumání barev duhy, hledání polohy ohniska
kulového zrcadla a čoček či vyslovení teorie,
že rychlost světla je konečná. Vysvětloval však
i zemskou přitažlivost, formuloval setrvačnost
pohybu těles, experimentoval s magnetem a také se
střelným prachem, který dokázal sám vyrobit. Ještě
před Koperníkem zastával heliocentrickou soustavu
a dokonce navrhoval reformu juliánského kalendáře,
ke které však došlo až o staletí později.
Jako vizionář předpověděl vynález mikroskopu,
dalekohledu (není vyloučeno, že nějaký dokonce
sestrojil), ale i ponorky, parního stroje, letadla...
Zemřel v požehnaném věku roku 1294.
pavel augusta
3ROGER BAcON
největšívědecký
festival
v české republice
praha / brno / Ostrava / Zlín / české budějoviceplzeň / Olomouc / Hradec králové / pardubicejihlava / Ústí nad labem
přednášky / promítání filmů / výstavy / vědecké kavárnysemináře / workshopy / prezentacepanelové diskuze / exkurze / on-line přenosyvědecké experimenty / technické vynálezysoutěže a kvízy / dny otevřených dveří
Přírodovědci.cz _ 210x115mm.indd 1 21.7.2014 10:24:50
15
Každý ví, že v jaderné energetice je prvořadou otázkou bezpečnost. Pokud se v médiích objeví slovo „únik“, vždy se stane slovem poplašným, v drtivé většině případů zbytečně. Pojďme se podívat na otázku těsnění v jaderné energetice – tedy na zabezpečení veškerých zařízení proti úniku kapalin a plynů – blíže.
těSnění MaličKosti obrovsKého význaMu
neVelké rozměry, obroVská zodpoVědnost Těsnicí systémy jsou integrální částí mechanických
spojů téměř všude: u reaktorových tlakových nádob,
hlavních cirkulačních čerpadel, parogenerátorů,
kompenzátorů objemu a tlaku, potrubí a čerpadel,
tepelných výměníků, ventilů, transportních a skla-
dovacích kontejnerů pro radioaktivní odpad, v pře-
chodech mezi objekty atd. Součástka a její těsnění
nemohou být navržené nezávisle na sobě, musejí
tvořit jediný systém. Těsnění se musí přizpůsobovat
mechanickým změnám součástek a změnám nebo
3ORIGRAF – FLExIBILNÍ GRAFITOVÁ SLOžKA TěSNěNÍ jE cHRÁNěNA KOVOVýmI PRSTENcI (ZDROJ: TECHNETICS GROUP LLC ©)
Příklady variací různých typů těsnění kov
na kov a jejich široké použití v jaderných
zařízeních:
» horní bloky reaktorových tlakových nádob –
HELICOFLEX® / O-FLEX®
» parogenerátory a kompenzátory objemu
a tlaku – ORIGRAF®
» parogenerátory – HELICOFLEX®
» reaktorová chladicí čerpadla –
(RCP) HELICOFLEX® / SWG
» potrubní systémy – ORIGRAF®
» membrány – ORIGRAF® / HELICOFLEX®
» tepelné výměníky – ORIGRAF®
» vysokotlaké tepelné výměníky (parní turbí-
nový systém) – SWG + JPR
» propust pro zařízení v budově reaktoru –
Silicone / EPDM profiles
» bazénové brány – (RB & FB) CEFILAIR®/
profiles
» parní turbíny – HELICOFLEX®
» ventily – HELICOFLEX®/ORIGRAF®/SWG
» transportní a skladovací kontajnery pro
použité palivo – HELICOFLEX®/O-FLEX®
» termonukleární reaktory – HELICOFLEX®
» částicové urychlovače – HELICOFLEX®/QDS
,Příklady různých typů těsnění
3VýzKUmNÁ LABORATOŘ PRO TěSNěNÍ V PIERRELATTE (ZDROJ: TECHNETICS GROUP LLC ©)
3TYPIcKý mEcHANIcKý TěSNěNý SPOj, KTERý SE POUžÍVÁ V SYSTémEcH PŘÍVOdU PÁRY V jAdERNýcH ELEKTRÁRNÁcH. zÁKLAdNÍ KOmPONENTY jSOU: PŘÍRUBA, ŠROUBY NEBO SPONY, TěSNěNÍ NEBO TěS-NIcÍ mANžETA. jE zdE POUžIT PRINcIP „KOV NA KOV“. (ZDROJ: TECHNETICS GROUP LLC ©)
třípól | www.tretipol.cz
16 Září 2014
deformacím povrchů, na které přiléhá. Těsnění je
tedy zároveň jakýmsi „kontrolním systémem“ stavu
spoje a musí existovat možnost jeho revizí.
Po určité době provozu mají všechny materiály
a mechanické spoje tendenci k netěsnosti. Podléha-
jí elektromechanickým změnám spojů stejných nebo
různých kovů, korozi, ale také vlivům chemických
přísad nebo nečistot v tekoucím médiu, vlivům
teplot a tlaků. Požadavky typu „žádná netěsnosť”
nebo „absolutní těsnost“ jsou v technice vždy nere-
alistické. I zde platí princip ALARA – to nejlepší, co
je ekonomicky rozumné. Každé těsnění je unikátní.
Zjednodušeně platí, že čím menší je efektivní plo-
cha těsnění, tím je těsnění účinnější. Samozřejmě,
v jaderné elektrárně jsou některé spoje extrémně
velké a potřebují extrémní řešení – např. 15 až
20 m dlouhé těsnění pro uzavírací víko reaktorové
tlakové nádoby VVER 1000 apod.
Výzkum těsnění Laboratoř pro výzkum těsnění vznikla spolu s bouřli-
vým rozvojem francouzského jaderného programu již
v roce 1969 v městě Pierrelatte ze spolupráce CEA
(Komisariát pro atomovou energii) a firem Techne-
tics Group. Laboratoř je součástí mezinárodních pro-
gramů rozvoje jaderné energetiky, podílí se na vý-
zkumu pro čtvrtou generaci reaktorů (např. ASTRID,
ALLEGRO) i pro jadernou fúzi (ITER). Momentálně je
ve světě v provozu 437 energetických jaderných re-
aktorů a na 200 reaktorů experimentálních. Většina
je jich tlakovodních a více než polovina z nich pra-
cuje již déle než 20 let. To znamená desítky milionů
hodin provozu a tedy i výbornou zkušenost výrobců,
konstruktérů a provozovatelů. Integrace zkušeností
spolu s laboratorním testováním je klíčem k vývoji
nejlepších inženýrských řešení i v oblasti těsnění.
žiVotnost těsněníS rostoucí úrovní techniky, technologií a materiálové-
ho výzkumu se zlepšují i konstrukce těsněných spojů
a těsnicí materiály. Požadavky na trvanlivost a život-
nost se zvyšují. Typickým příkladem zvyšujících se
požadavků na dobu těsnosti je kontejner pro sklado-
vání použitého jaderného paliva. Prvotní požadavek
byl 20 let provozu a poté přetěsnění. Po 50 letech
Skupina vznikla spojením sedmi nejlepších
světových designérů a výrobců těsnicích
komponent: HELICOFLEX®, Garlock France,
Tara Technologies, Technetics, Wide Range
Elastomers, Plastomer Technologies and
Hydrodyne. Má zastoupení téměř na všech
kontinentech. Její produkty slouží v nejexpo-
novanějších průmyslových odvětvích, jako je
letectví, turbíny, polovodiče, lékařské aplika-
ce, plynárenství a naftový průmysl, jaderná
energetika a technika, ale třeba i v závodech
Formule 1. V jaderných zařízeních, jako jsou
elektrárny, závody na obohacování uranu či na
zpracování a ukládání jaderného odpadu, pra-
cují jejich produkty již po desetiletí a splňují
nejpřísnější požadavky na bezpečnost a pre-
venci netěsností. Vlastní výzkumná základna
v Pierrelate zajišťuje kontakt s nejnovějšími
poznatky vědy a techniky a jejich přenesení
do praxe.
, TECHNETICS GROUP
3NAFUKOVAcÍ TěSNěNÍ (ZDROJ: TECHNETICS GROUP LLC ©)
3OBR. 2 PŘÍKLAdY TěSNěNýcH SPOjů KOV NA KOV. V PRVNÍm PŘÍPAdě jE VLOžEN KOVOVý KROUžEK, V dALŠÍcH PŘÍKLA-dEcH jE PŘILéHÁNÍ KOVU NA KOV dÁNO TVAREm SOUČÁSTEK. (ZDROJ: TECHNETICS GROUP LLC ©)
3OBR. 1 PRINcIP TěSNěNéHO SPOjE „žÁdNý KOV NA KOV“ (ZDROJ: TECHNETICS GROUP LLC ©)
17
vání zastaralých materiálů novými, např. azbestu
nezávadnějším polytetrafluóretylénem (teflonem)
nebo elastickým grafitem.
» Obr. 2 ukazuje možnosti těsnění „kov na kov“.
Stlačení těsnění je zde limitované, čili životnost
těsnění je větší a pevnost spoje rovněž. Konfigu-
race „kov na kov” může velmi dobře fungovat i za
použití klasické příruby. Jak je vidět na obrázku
2 (varianty 4a, 4b, a 4c), způsob limitování
komprese je právě na styčném místě spojova-
ných součástek a vyvolává mechanický odpor.
Tento limitujíci prvek může i nemusí být součástí
těsnění. V porovnání s principem „žádný kov na
kov“ si konfigurace „kov na kov“ samozřejmě žádá
těsnění odlišných materiálů i tvarů. Na trhu jsou
např. Helicoflex®, kovový O-kroužek, C-kroužek,
spirálovitá těsnení s nízkým zatížením lůžka,
tvarově pružná grafitová těsnění, elastická kovová
nebo kompozitová těsnění atd.
základní požadaVky na těsněníDobré těsnění musí vykazovat plasticitu na získání
utěsnění a elasticitu na udržení funkčnosti těsnění.
Stabilita a elasticita mechanického spoje jsou
v rozporu s mechanickými požadavky na těsnicí
materiál. Tyto dvě funkce mechanických spojů
jsou konstrukčně oddělené – spoj má zabezpečit
úspěšného provozu jaderných zařízení ale provozova-
telé skladů požadují těsnění, které vydrží již 100 let
provozu. V laboratoři v Pierrelatte se testují těsnění
teplotním cyklem od 0 do 150 °C už více než 40 let.
Zkoušky probíhají dvakrát do roka. Simulací nároč-
ných podmínek je tak laboratoř schopna simulovat
ověření životnosti stříbrného obložení těsnění do
150 let, hliníkového do 100 let. Dostatek informací
o procesu opotřebení v případě dvou těsnicích řešení
využitelných pro kontajnery na použité palivo je tedy
technikům a konstruktérům k dispozici již dnes.
VýVoj principů těsněníNa počátku průmyslové éry se těsnění většinou
zakládalo na principu „žádný kontakt kovu na kov“.
Protikladný princip „kontakt kovu na kov“ zůstává
na okraji. V poslení době však specialisté začínají
preferovat právě rozvoj principu kovu na kov.
» Obr. 1 znázorňuje princip těsnění „žádný kov na
kov“. Hlavní vlastností těchto spojů je, že zátěž
vyvolaná na spoji působí výlučně na těsnění,
začne utažením šroubů již na stupni montáže
a pokračuje po celou životnost spoje. Mezi
přírubami není přípustný žádný mechanický odpor
jakéhokoliv typu. Příklady: ploché těsnění, kovem
opláštěné těsnění, spirálovité těsnění a vlnité
těsnění. Vývoj se ubírá hlavně směrem nahrazo-
Práce v laboratoři pro výzkum a zkoušky těsnění:
www.techneticsgroup.com/services/sealing‑laboratory
(film je v angličtině)
,Video
3zNÁzORNěNÍ FUNKcE TěSNěNÍ „KOV NA KOV“ (ZDROJ: TECHNETICS GROUP LLC ©)
3KARTÁČOVé TěSNěNÍ (ZDROJ: TECHNETICS GROUP LLC ©)
stabilitu, zatímco těsnění má být charakteristic-
ké elasticitou a plasticitou. Integrovaný přístup
umožnil vytvořit nové technické řešení využívající
vlastností materiálů. Přístup „kov na kov“ garantuje
splnění nasledujících kritérií:
» optimální komprese těsnění,
» nízký požadavek na elasticitu,
» pevnost komponenty,
to vše i za tepelné a tlakové nestálosti provozních
podmínek.
Dlouholetý výzkum a zkušenosti s vývojem
ukazují, že vysoce výkonné řešení těsnění musí být
výsledkem úzké inženýrské spolupráce mezi desig-
nérem a výrobcem samotného těsnění, a dále návr-
hářem a výrobcem součástek mechanického spoje,
kde je těsnění použito. Bezpečnostní a výkonnostní
kritéria těsnosti v této souvislosti určuje konečný
uživatel, tj. provozovatel jaderné elektrárny nebo
jaderného zařízení, a jeho provozní zkušenosti.
Doprovodná kvalifikace, validace a testování se pro-
vádí v úzké spolupráci s výzkumnými a dozorujícími
institucemi. I zde koordinovaný specifický výzkum
na základě požadavků zákazníků zajistí vysoce
konkurenční technologie za pomoci partnerství
„výrobce těsnění a výrobce komponent“.
(red)
Podle materiálů Technetics Group LLC.
Více informací: www.techneticsgroup.com , Thomas Ritter
(Senior Market Manager Nuclear, [email protected])
3KdE SE V jAdERNé ELEKTRÁRNě SETKÁmE S TěSNě-NÍm Od TEcHNETIcS GROUP. dYNAmIcKý OBRÁzEK NAjdETE NA www.TEcHNETIcSGROUP.cOm/TEcHNIcAL-INFORmATION/dYNAmIc-PROdUcT-dISPLAYS/ POwER-PLANT (ZDROJ: TECHNETICS GROUP LLC ©)
3KOVOVé TěSNěNÍ 3BROUŠENé TěSNěNÍ
3TěSNIcÍ SYSTémY A POdSESTAVY 3KARBONOVé TěSNěNÍ
3ELASTOmEROVé TěSNěNÍ
3POVRcHOVÁ úPRAVA TěSNěNÍ (zLATEm, STŘÍBREm, TEFLONEm)
(ZDROJ OBRÁZKů: TECHNETICS GROUP LLC ©)
třípól | www.tretipol.cz
18 Září 2014
Sluneční vařičeSluneční záření dopadá na zemský povrch a část jeho energie můžeme přímo přeměnit na teplo. Sestrojíme si dva modely slunečních vařičů, které se ve větším a dokonalejším provedení využívají hlavně v chudých zemích k vaření jídla.
Vařič z papíroVé krabiceCO bUdEME POTřEbOVAT
» papírovou krabici na dorty
» hliníkovou fólii
» sklo nebo plexisklo
» černou temperovou barvu
JAK NA TO
Krabici upravíme tak, aby jen jedna její stěna byla
výklopná. Všechny ostatní části slepíme. Vnitřek
natřeme černou temperovou barvou a výklopnou
stěnu polepíme hliníkovou fólií (alobalem) a do-
konale uhladíme. Tím je sluneční vařič v podstatě
hotov a můžeme s ním zahájit experimenty. Krabici
položíme na zem a výklopnou stěnu nastavíme tak,
aby odrážela co nejvíc dopadajícího světla dovnitř
krabice na zahřívaný předmět. Černý vnitřek pohlcu-
je sluneční záření a tím se vnitřní prostor krabice
silně zahřívá. (obr. 1)
Nejprve vložíme do prostoru krabice plochou
nádobku s vodou. Ponořeným teploměrem každou
minutu měříme, jak se teplota vody zvyšuje.
Pak provedeme stejný pokus, ale prostor krabice
zakryjeme sklem nebo plexisklem. Sklo brání úniku
tepla z vnitřního prostoru. Porovnáme rychlost
zahřívání vody v krabici nezakryté a zakryté. Pro
zvýšení účinnosti vařiče můžeme výklopné odrazné
stěny přilepit i ke zbylým třem bočnicím (alobalem)
a dobře uhladit.
parabolický Vařič z kbelíkuCO bUdEME POTřEbOVAT
» plastový kbelík
» hliníkovou fólii
JAK NA TO
Nejúčinnější sluneční vařiče mají tvar rotačního
parabolického zrcadla. Jeho návrh a výroba jsou
dost náročné. Během pár minut však snadno zho-
tovíme téměř parabolický vařič válcového tvaru.
Budeme potřebovat prázdný a vymytý plastový
kbelík od barvy PRIMALEX používaný k malování
bytu. Kbelík obyčejnou pilkou na dřevo rozřízne-
me na dvě poloviny a řezné hrany začistíme smir-
kovým papírem. Pro pokusy použijeme polovinu
s držadlem. Prohnutá vnitřní stěna má přibližně
parabolický průřez, polepíme ji tedy hliníkovou folií
(alobalem) a vařič je hotový.
Pokusy s parabolickým vařičem mohou být ob-
dobné jako u prvního typu. Při vhodném natočení
odrazné plochy se paprsky soustřeďují podél úseč-
ky, spojující ohniska jednotlivých částí zakřivené
plochy. Vyzkoušíme v ohnisku nejen zahřívání vody,
ale i dalších látek (čokoláda, hrudka másla, pěnový
bonbon Marshmallow aj.).
Výsledky budou mnohem výraznější než u před-
chozích dvou typů. Držadlo kbelíku využijeme jako
podpěru při nasměrování zrcadla směrem ke Slunci
(obr. 2–obr. 4).
sluneční kolektorSluneční energie se nejčastěji používá k ohřívání
vody ve slunečních kolektorech. Jsou to v podstatě
dobře tepelně izolované skříně, jejichž vnitřek je
natřen černou barvou, která nejlépe pohlcuje dopa-
dající záření. Vzniklé teplo přijímá voda v trubicích
a zahřívá se.
CO bUdEME POTřEbOVAT
» prkénka, překližku, polystyren
» průhlednou fólii
» ohebnou plastovou trubičku
» skobičky a montážní materiál
JAK NA TO
Model slunečního kolektoru zabudujeme do
vhodné nízké dřevěné krabice o rozměrech alespoň
35 cm × 25 cm × 5 cm sestavené z prkének a pře-
kližky. Na protějších stranách uděláme otvory pro
vývody trubice. Vnitřní prostor krabice natřeme mat-
nou černou latexovou barvou. Do vnitřních bočních
stěn nebo do dna přibijeme dvě řady skobiček pro
zachyceni hada z tenkostěnné plastové trubičky.
Černou barvou pak natřeme i trubičku (koupíme ji
např. v motoristické prodejně).
Krabici překryjeme průhlednou fólií, kterou na
bočních stěnách přichytíme samolepicí páskou. Na
dno a na boční stěny můžeme zvenku přilepit dis-
perzním lepidlem přiříznuté izolační polystyrenové
desky tloušťky 2 cm (obr. 5).
Jaroslav kusala
zdroj: RNDr. Jaroslav Kusala, Hrátky s obnovitelnými zdroji, součást
vzdělávacího programu ČEZ, a. s., Svět energie. Publikaci můžete
získat na: www.cez.cz/cs/vyzkum‑a‑vzdelavani/pro‑studenty/
materialy‑ke‑studiu/tiskoviny.html
Nabídku vzdělávacího programu najdete na:
www.cez.cz/vzdelavaciprogram
3 OBR. 1
3 OBR. 2
3 OBR. 3
3 OBR. 4
3 OBR. 5
19
Odvaž se používat vlastní r ozum!Škrtni pět písmen ,
aby zůstalo jedno slovo:
JEPDNĚOTSPLOÍVSMOEN
Soutěž Logická olympiáda pořádá Mensa ČR (www.mensa.cz) Kontakt: [email protected]
Děkujeme partnerům:
Ministerstvo školství , mládeže a tělovýchovy, Královéhradecký kraj , Město Prostějov, Moravskoslezský kraj , Město Ostrava , Olomoucký kraj , Jihočeský kraj , Pardubický kraj , Město Brno, AV Media a další.
Soutěž pro všechny ve věku 6 až 20 let s vlastní hlavou!
On-line nom
inační kolo
Nejlepší soutěžící postupují do krajského kola a dále do finále na Pražském hradě.
Dokaž o
statn
ím, ž
e Ti t
o myslí
a vyhraj
notebook
anebo d
alší sk
vělé ce
ny!
ZAREGISTRUJ se od 1. 8. do 30. 9. na www.logickaolympiada.cz
Logická olympiáda je soutěž pro žáky základních škol a studenty středních škol založená na logických úlohách , jejichž řešení vyžaduje samostatný a kreativní přístup. Nerozhodu-jí zde naučené znalosti , ale schopnost samostatného uvažování a pohotového rozhodo-vání. Logická olympiáda je svým pojetím unikátní soutěží , protože se nejedná o znalostní soutěž, ale o soutěž rozvíjející především schopnost samostatného logického uvažování.
Mensa ČR
třípól | www.tretipol.cz
