Polacy produkują kryształy. Do czego one służą?

Podczas tegorocznej edycji kieleckiego Międzynarodowego Salonu Przemysłu Obronnego (2-5 września na terenie Targów Kielce) można było zapoznać się z ofertą szeregu firm, startupów i instytutów. Wprawne oko obserwatora - pomiędzy rzeczywistym sprzętem czy modelami najpopularniejszego uzbrojenia, takiego jak czołgi, samoloty, okręty, rakiety czy drony - mogło dojrzeć dziesiątki firm z całego świata, produkujących niepozorne elementy, z których dopiero składane są systemy militarne. Co więcej, bez których one w ogóle nie mogłyby zaistnieć. Do takich podmiotów należy również polska firma ENSEMBLE3 z Warszawy.

Firma ENSEMBLE3 powstała w 2020 r. jako centrum doskonałości w zakresie nanoftoniki, zaawansowanych materiałów i nowoczesnych technologii opartych na wzroście (tzw. hodowli) kryształów. Założono ją w ramach finansowanego przez Komisję Europejską programu "Teaming of Excellence". Spółka wzięła też udział w projekcie Program Międzynarodowych Agend Badawczych (finansowany przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej). Jednostka badawczo-produkcyjna współpracuje m.in. z Siecią Badawczą Łukasiewicz, zrzeszającą wiele podobnych firm zajmujących się nowatorskimi, nierzadko nieoczywistymi rozwiązaniami.

Wśród kluczowych partnerów firma wymienia Uniwersytet Warszawski oraz partnerów zagranicznych (z Niemiec, Hiszpanii czy z Włoch). Celem istnienia spółki są prace nad rozwojem nowatorskich rozwiązań w zakresie materiałów o szczególnych właściwościach elektromagnetycznych, które można stosować w fotonice, optoelektronice, rozwiązaniach dla telekomunikacji, energetyki (fotowoltaiki), medycyny i lotnictwa.

Spółka docelowo dysponować ma dziewięcioma grupami badawczymi, zajmującymi się m.in. nanocharakteryzacją (pomiary i analiza właściwości elektrycznych materiałów i urządzeń), systemami energii nowej generacji (rozwiązania do magazynów gazu i energii elektrycznej), monokryształami tlenkowymi (m.in. do systemów laserowych, przy czym obszar badań obejmuje też prace nad nowymi technologiami wzrostu kryształów) itp.

W celu prowadzenia badań grupy dysponują czterema laboratoriami, w tym krystalizacji materiałów A3B5 (GaAs, InAs, GaP, InP, GaSb, InSb), monokrystalizacji materiałów tlenkowych, optycznej nanocharakteryzacji materiałów i materiałów funkcjonalnych. Wykorzystywana jest też infrastruktura udostępniana przez partnerów, w tym UW czy Instytut Mikroelektroniki i Fotoniki Łukasiewicz. Na swoje prace spółka zabezpieczyła dotychczas 15 mln euro dotacji z Unii Europejskiej i 5 mln euro z finansowania krajowego. Firma współpracuje m.in. z litewskimi producentami systemów laserowych.

Główna oś działania centrum to zaawansowane technologie wzrostu kryształów, które poprzez ich zastosowania w fotonice, optoelektronice, telekomunikacji, lotnictwie, są nieodzowne w przemyśle obronnym. Spółka rozwija głównie metodę Czochralskiego. Nie jest to metoda nowa: słynny polski wynalazca Jan Czochralski opracował ją jeszcze w 1916 r. podczas pracy w cesarskich Niemczech.

Dziś to powszechnie stosowana metoda wytwarzania monokryształów półmetali, metali i stopów. Polega na umieszczeniu tzw. zarodka krystalicznego w roztopionym materiale, aby następnie w odpowiedni sposób wynurzyć go, co zapewnia realizację procesu krystalizacji na jego powierzchni według pożądanego schematu. W zależności od tego, nad jakim materiałem przebiegają prace, warunki mogą ulegać dostosowaniu do potrzeb: zmienna może być temperatura, tempo wynurzania zarodka, zarodek i tygiel można wprawić w ruch obrotowy itp.

Rezultatem przebiegu procesu Czochralskiego jest monokryształ o cylindrycznym kształcie i "dziedziczący" cechy zarodka. Dostępne są też inne metody otrzymywania kryształów syntetycznych (tj. sztucznych), np. Venreuila (najstarsza uznawana za udaną; topienie rozdrobnionego materiału i krystalizacja ze stopu - produkuje się tak np. syntetyczne rubiny) i Bridgmana-Stockbargera (stopniowe schładzanie stopionego materiału).

Większość z nich jest znana od dekad, ale są one udoskonalane przez kolejne pokolenia uczonych. W jaki sposób? Z uwagi na dochodowość i nierzadko krytyczną wagę rozwiązań, pozostaje to tajemnicą laboratoryjnych murów.

Monokryształy syntetyczne stosowane są powszechnie we współczesnej gospodarce. Używa się ich w produkcji półprzewodników czy fotowoltaiki, co czyni całą branże niezwykle dochodową i perspektywiczną. Są też chętnie wykorzystywane w optyce. Wynika to z ich elementarnej właściwości fizycznej: monokryształ, jeżeli proces jego produkcji w pełni się powiódł, jest pojedynczym ziarnem, tj. nie ma w nim skaz ani żadnych granic mogących wpływać na właściwości oferowane przez materiał (np. nie dochodzi do załamania światła wewnątrz ośrodka). Tym samym są wykorzystywane m.in. jako ośrodki wzmocnienia laserowego w laserach o różnym zastosowaniu: medycznym, naukowym czy bojowym.

Niedawno chińscy naukowcy z Hefei pochwalili się stworzeniem wielkiego (jak na ten materiał) kryształu selenku baru i galu BGSe, o średnicy 60 mm. Ma on wytrzymywać promieniowanie o intensywności do 550 MW na cm2. Ma to być wartość nawet dziesięciokrotnie wyższa niż w dotychczas stosowanych materiałach.

Kryształ w broni opartej na laserze działa jako ośrodek wzmacniający, umożliwiający urządzeniu generowanie spójnej wiązki światła. Jego jony aktywne pochłaniają energie, a następnie emitują fotony, których wiązka jest wzmacniana później w rezonatorze laserowym.

Co prawda do doniesień o przełomach technologicznych z Chin należy podchodzić z pewną rezerwą, ale niewątpliwie postęp w tej dziedzinie jest zauważalny. Powód jest prosty: "działo" laserowe oferuje wręcz absurdalnie niski koszt "strzału" i ogromną celność w porównaniu z tradycyjnymi środkami ogniowymi (pociski, rakiety). Lasery mają swoje ograniczenia, np. są wrażliwe na warunki pogodowe czy wymagają źródeł zasilania wielkiej mocy, nie mogą też strzelać poza linię horyzontu, ale przy cenie "strzału" rzędu kilkunastu-kilkudziesięciu złotych jest to akceptowalne.

Jeżeli jeden "strzał" może zniszczyć drona za setki złotych (a już taki może np. uszkodzić kosztowny samolot pasażerski czy elementy infrastruktury, o ile obiekt nie jest chroniony, podczas ataku terrorystycznego czy dywersji), może to samo też zrobić armata przeciwlotnicza czy rakieta, ale znacznie drożej. Na razie lasery bojowe to technologia bardzo młoda, debiut bojowy mają za sobą tylko nieliczne rozwiązania, a w służbie – i to bardziej w ramach ciekawostki, szkoleń i badań – jest ich niewiele więcej.

Z pewnością jednak ogólna charakterystyka laserowych środków bojowych sprawia, że w przyszłości rozpowszechnią się one jako środki przeciwlotnicze ochrony bezpośredniej obiektów stałych czy okrętów, a może nawet mobilne systemy przeciwlotnicze (jeśli rozwiązany zostanie problem zasilania). Już dziś w przypadku wielu przyszłych, nie aż tak odległych w czasie (rzędu kilku-kilkunastu lat do wprowadzenia do służby), przyjmuje się za pewnik wykorzystanie laserów jako jednego z systemów uzbrojenia.

Wobec tych perspektyw trzeba zapytać: co z polskimi laserami? Owszem, Narodowe Centrum Badań i Rozwoju już w 2014 r. podjęło się finansowania rozwiązań z tego zakresu, lecz środki wydawano nie tylko niewielkie, lecz również – według oceny Najwyższej Izby Kontroli z 2020 r. – nieefektywnie. Wiele elementów "polskiego działa laserowego" już mamy, np. monokryształy. Czy wobec przewidywanych zagrożeń nie należałoby zacząć składać "klocki" w spójną całość?