Przełomowe badania Polaków. Skorzystają miliony osób na całym świecie

Naukowcy od lat próbują opanować fale terahercowe. Zastosowanie ich na szeroką skalę może wpłynąć na rozwój technologiczny w wielu dziedzinach – od medycyny i telekomunikacji po astronomię i przemysł obronny. Eksperymenty z terahercami prowadzone są również z sukcesem w Polsce. Redakcja WP Tech miała okazję zwiedzić laboratoria, w których badana jest ta niezwykła technologia przyszłości.

Promieniowanie terahercowe, to promieniowanie elektromagnetyczne o częstotliwościach rzędu biliona herców. Ma ono zakres położony pomiędzy podczerwienią a mikrofalami. Teraherce z łatwością przenikają przez różne materiały (tekstylia, papier, plastik, drewno), nie powodując przy tym skutków ubocznych. Fale tego typu są obecnie dość rzadko wykorzystywane, ale drzemie w nich ogromny potencjał, który może przyczynić się do rozwoju nauki i gospodarki.

Już 19 lat temu amerykański magazyn "MIT Technology Review" uznał promieniowanie terahercowe za jedną z technologii, które mają szansę zmienić świat. Brak efektywnych źródeł tego promieniowania oraz niedrogich i czułych detektorów sprawiał jednak, że obszar ten nazywano luką terahercową.

CENTERA, czyli warszawskie Centrum Badań i Zastosowań Terahercowych, prowadzi interdyscyplinarne badania nad technologią terahercową. Naukowcy podkreślają, że wyniki prac ośrodka mogą w przyszłości przynieść światu wiele korzyści. Międzynarodowa Agenda Badawcza CENTERA jest jednym z 14 centrów doskonałości działających w Polsce. Powstały one dzięki środkom z Funduszy Europejskich z Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój (POIR), przyznanych przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej w ramach programu Międzynarodowe Agendy Badawcze (MAB).

Dalsza część artykułu pod materiałem wideo

Zaawansowane badania w tym zakresie są prowadzone w Polsce również m.in. przez CEZAMAT (Centrum Zaawansowanych Technologii i Materiałów Politechniki Warszawskiej), UNIPRESS (Instytut Wysokich Ciśnień Polskiej Akademii Nauk), Wojskową Akademię Techniczną i Uniwersytet Warszawski.

Szybsza łączność bezprzewodowa, analiza zanieczyszczeń środowiska, wykrywanie nowotworów oraz lepsza jakość żywności i przedmiotów użytkowych – to tylko niektóre obszary, które mogą zostać rozwinięte dzięki terahercom. O randze badań prowadzonych w Polsce świadczy dobrze fakt, że w CENTERA pracują wyspecjalizowane zespoły międzynarodowe. Ośrodek chętnie ściąga z zagranicy największe talenty naukowe.

Co istotne, rozwój technologii terahercowych nie jest jedynie melodią przyszłości. Polscy badacze wraz z partnerami zagranicznymi odnieśli już na tym polu pewne sukcesy – niektóre z wyników ich prac mają przełomowy i pionierski charakter.

Jednym z przykładów jest skaner terahercowy, wyposażony w innowacyjne elementy optyczne, mechaniczne i elektroniczne. Urządzenie pozwala z dużą dokładnością wykrywać podejrzane przedmioty w przesyłkach pocztowych.

Prof. Wojciech Knap, dyrektor i współzałożyciel ośrodka CENTERA podkreśla, że skaner został zbudowany z nadzieją, że wejdzie on kiedyś na rynek. – Wyposażony był w źródło, które w pierwotnej wersji stworzyli Amerykanie, ale było ono bardzo drogie – kosztowało 120 tys. zł. Zastąpiliśmy je źródłem na bazie technologii krzemowej i jego cena spadła do 1,2 tys. zł. Rozmiar też zmniejszył się dziesięciokrotnie – mówi naukowiec.

Zespoły badawcze w Polsce przeprowadziły ponadto eksperymenty z grafenem, których celem jest wzmocnienie fal terahercowych. Udało im się też stworzyć czujniki do pomiarów przemysłowych takich jak grubość powłok, czystość, wilgotność i jakość. Opracowanymi urządzeniami interesują się już różne firmy w Polsce i za granicą.

Nasza redakcja miała okazję zwiedzić laboratoria CENTERA, w których prowadzone są zaawansowane badania nad falami terahercowymi. Widoczne na poniższych zdjęciach urządzenia i aparatury mogą pewnego dnia przyczynić się do polepszenia jakości życia wielu ludzi.

Eksperymenty w CENTERA są prowadzone przez sześć grup, które badają podstawowe i aplikacyjne własności promieniowania terahercowego. W skład zespołu wchodzi 60 naukowców z różnych dziedzin. Są wśród nich chemicy, fizycy, elektronicy oraz eksperci z zakresu biomedycyny i materiałoznawstwa. Specjalistyczna różnorodność umożliwia prowadzenie badań na wielu płaszczyznach i – co za tym idzie – opracowanie jak najszerszych zastosowań technologii terahercowej.

Promieniowanie terahercowe znajdzie zastosowanie m.in. w telekomunikacji. Technologia może zostać wykorzystana do stworzenia sieci komórkowych, które zastąpią w przyszłości standard 5G.

Technologia terahercowa jest kluczowa w badaniach przestrzeni kosmicznej. – Fizyka daleka podczerwieni to w ogóle przyszłość astronomii – podkreśla w rozmowie z WP Tech prof. Knap. Jak czytamy w serwisie kosmonauta.net, w astronomii używa się obecnie detektorów promieniowania terahercowego "do badania Mikrofalowego Promieniowania Tła lub obłoków pyłowych, w których rodzą się gwiazdy". Za pomocą czujników wykorzystujących tę technologię naukowcy obliczają też czas, jaki minął od Wielkiego Wybuchu.

Urządzenia bazujące na terehercach, które są stosowane w astrofizyce, to jednak bardzo kosztowne rozwiązania. Naukowcy z CENTER-y dążą do tego, aby wspomniana technologia była tańsza i bardziej powszechna.

Zaletą fal terahercowych jest fakt, że są one bezpieczne dla organizmów żywych. Jak podkreśla CEZAMAT, promieniowanie z tego zakresu "nie jonizuje materii, czyli nie niszczy wiązań chemicznych, jak to ma miejsce w przypadku promieni rentgenowskich". Z tego względu teraherce mogą stanowić alternatywę dla obecnie stosowanych skanerów bezpieczeństwa na lotniskach oraz być wykorzystywane w diagnostyce medycznej. Warto dodać, że wspomniany wyżej skaner terahercowy wykryje m.in. niebezpieczny proszek, który będzie niewidoczny dla promieni rentgenowskich.

Technologia sprawdzi się w rolnictwie, gdyż za jej pomocą można kontrolować częstotliwość nawadniania roślin. Dzięki terahercom możliwe jest też bezpieczne testowanie jakości paliwa wodorowego. Właściwości tych fal mogą być w pewnym zakresie stosowane w elektronice.

– Jesteśmy w stanie wykrywać niewidoczne obiekty, np. ukryte pod koszulą czy w kopercie. Możemy także prowadzić tzw. non-destructive testing, czyli testowanie produktów bez ich uszkodzenia czy zniszczenia. Możemy wyszukiwać defekty w żywności, plastikach czy drewnie – wylicza prof. Knap.

Na możliwości teraherców nie należy patrzeć jedynie przez pryzmat rynku cywilnego. Mogą one przynieść pewne innowacje także w przemyśle obronnym. Prof. Knap przekonuje, że naukowcy są otwarci na współpracę z wojskiem.

Technologia może być wykorzystywana m.in. do produkcji niedrogich anten, które znajdą zastosowanie w małych dronach zwiadowczych. Wojna w Ukrainie pokazała, że bezzałogowce odgrywają kluczową rolę we współczesnym polu walki, dlatego obniżenie kosztów ich produkcji może okazać się niezwykle cenne.

Prowadzone od lat badania stopniowo zmniejszają występowanie luki terahercowej i dają nadzieję, że pewnego dnia technologia ta zyska zainteresowanie, jakim swego czasu cieszyły się grafen i perowskity. Aby tak się stało, potrzeba wielkich odkryć, zwracających uwagę nie tylko naukowców, ale także potencjalnych odbiorców. Polskie ośrodki badawcze zdają się być dziś na dobrej drodze, by przyczynić się do widocznego rozwoju w tej dziedzinie.