Pohľad na rozvoj elektrotechniky v druhej polovici 20. storočia – výber dôležitých a zaujímavých udalostí (pokračovanie)

V r. 1972 bolo v British Institute of Radiology Congress predstavené CT (computer tomography) snímacie zariadenie na prierezové znázornenie osoby. Navrhnuté bolo hlavne podľa Godfreya Newbolda Hounsfielda a vyrobila ho firma EMI. Podstatou počítačovej tomografie bola idea, že vnútornú štruktúru predmetu by bolo možné zistiť tak, že sa pod rôznymi uhlami „presvieti“ X lúčmi a následne sa matematicky analyzujú hodnoty absorpcie v jednotlivých bodoch. Následne sa začalo pracovať na zostrojení počítača, ktorý by dokázal z týchto hodnôt zrekonštruovať rez predmetom. Allan McLeod Cormack v tom čase vypracoval potrebnú matematickú teóriu na rekonštrukciu takéhoto obrazu. G. N. Hounsfield postavil prototyp hlavového tomografu a otestoval ho najskôr na anatomickom preparáte ľudského mozgu, potom na čerstvom kravskom mozgu a následne sám na sebe. V septembri 1971 vstúpila počítačová tomografia do klinickej praxe. Prvý počítačový tomograf (EMI Mark I) v Atkinson Morley's Hospital v Londýne úspešne zobrazil cystu v mozgu pacienta. Prvý celotelový tomograf (ACTA) skonštruoval G. N. Hounsfield v roku 1974. V rozmedzí niekoľkých rokov sa stovky CT zariadení používali na celom svete. Pre svoje úsilie získali A. M. Cormack a G. N. Hounsfield v r. 1979 Nobelovu cenu za fyziológiu alebo medicínu.

Spektroskopia nukleárnou magnetickou rezonanciou (NMR) je široko používaná na určenie štruktúry organickej molekuly pri štúdiu molekulárnej fyziky, rovnako tiež kryštalických aj nekryštalických materiálov. NMR sa bežne používa v pokrokových liečebných zobrazovacích metódach a v magnetickom rezonančnom zobrazení (MRI). Dejiny zobrazenia magnetickou rezonanciou zahŕňajú mnoho výskumníkov, ktorí prispeli k vynájdeniu NMR a opísali jej fyzikálne základy, ale prevažuje názor, že princíp vynašiel Paul C. Lauterbur v septembri 1971; v marci 1973 totiž o tom publikoval štúdiu. Činitele vplývajúce na kontrast obrazu (odlišnosť v hodnotách relaxačnej doby tkaniva) opísal takmer o 20 rokov skôr Erik Odeblad (lekár a vedec) a Gunnar Lindstrom. V priebehu 70. rokov postavil tím vedený Johnom Mallardom prvý celotelový MRI snímač na University of Aberdeen. Dňa 28. augusta 1980 použili tento prístroj, aby získali prvé klinicky vhodné znázornenie pacientovho vnútorného tkaniva použitím MRI. Ním určili primárny nádor v pacientovej hrudi a sekundárnu rakovinu v jeho kostiach. Tento prístroj bol neskôr používaný v St. Bartholomew's Hospital v Londýne, a to v období rokov 1983 – 1993. J. Mallardovi a jeho tímu sa pripisovali aj technologické zdokonalenia, ktoré viedli k rozsiahlemu zavedeniu MRI. Peter Mansfield z University of Nottingham v UK zaujal k Lauterburovej začiatočnej práci odlišný krok. Pomalú (a náchylnú k artefaktom) projekčno-rekonštrukčnú metódu používanú v Lauteburovej pôvodnej technike nahradil metódou, v ktorej sa používalo frekvenčné a fázové kódovanie pomocou priestorových gradientov magnetického poľa. Vplyvom Larmorovej precesie bola potom použitá matematická metóda nazývaná Fourierova transformácia s cieľom získať späť požadovaný obraz a tiež na urýchlenie procesu znázornenia. P. Lauterbur a P. Mansfield získali v r. 2003 Nobelovu cenu za fyziológiu alebo medicínu za objav týkajúci sa vyobrazenia magnetickou rezonanciou.

Dňa 22. mája 1973 Robert Metcalfe, výskumný inžinier v Xerox Corp`s Palo Alto Research Center (Kalifornia), zapísal záznam, ktorým naznačil návrh miestnej počítačovej siete a nazval ju ethernet. R. Metcalfe opustil v r. 1979 Xerox a založil 3Com, ktorý začal uvádzať na trh PC verziu ethernetu v r. 1982. V polovici 90. rokov už fungovalo 5 miliónov ethernetových spojení s 50-miliónovou sieťou počítačov.

V r. 1975 vyvinula americká spoločnosť videopáskové zapisovanie na televízne vysielanie. No japonské Sony a JVC sa ujali vedenia v uvádzaní videopáskových zapisovačov ako finálneho produktu. Sony uviedla svoje videokazety a zapisovače Betamax na začiatku 70. rokov; JVC vypustili svoj systém VHS v r. 1975 a tento formát sa ujal a ovládol trh.

Steve Jobs a Steve Wozniak spolu s odvážnym kapitalistom Markom Markullom (ktorý poskytol prevádzkový kapitál 92 000 $) založili 3. januára 1976 spoločnosť Apple Computer, aby vytvorili a predávali osobný počítač Apple II. Počítač našiel svoj základ v Altair 8800, ktorý bol predstavený v januári 1975. V tomto počítači použili mikroprocesor Intel – osembitový 8080 čip. Altair však musel byť programovaný cez spínače na čelnom paneli, čo vyžadovalo veľa pozornosti, a tiež mal iba 256 bytov pamäti. Začiatkom roka 1976 S. Jobs a S. Wozniak navrhli oveľa výkonnejší počítač založený na 25-dolárovom (USD) procesore – osembitovom 6502. Predali okolo 200 týchto prvých počítačov Apple (zmontovali ich dvaja pracovníci v garáži Jobsových rodičov), ale výrobcovia nemali záujem o kúpu licencie na výrobok. S. Wozniak potom navrhol oveľa dokonalejší Apple II s jazykom Basic a videomonitorom, ktorým sa mohol zobraziť text a grafika vo farbe.

Adam Osborn predviedol 3. 4. 1981 v San Franciscu prvý prenosný počítač, ktorý bol napájaný z elektrickej siete a vážil iba 12 kg. Osobný počítač uviedla 12. augusta 1981 firma IBM. Firma sa netypicky silno spoliehala na externých dodávateľov mikroprocesora, operačného systému a väčšiny ďalších častí. Počítač IBM používal osembitový mikroprocesor Intel 8088; prišiel so 16 KB pamäťou a floppy diskovým riadením (disk schopný uchovávať 160 kB) a predával sa za 2 495 $ (PC-DOS operačný systém od vtedy malej spoločnosti Microsoft, cena 40 $ navyše). Odbyt prevyšoval očakávania a ďalší výrobcovia (zahrnujúc Compag, Tandy, Commodore a Zenith) predávali počítače zlučiteľné s produkciou IBM. Softvéroví výrobcovia produkovali tisícky programov pre tieto zariadenia a takmer všetci počítačoví výrobcovia si osvojili štandard IBM. Apple bol jediná dôležitá výnimka. V januári 1983 redaktori magazínu Time pomenovali ich PC Mužom roka.

Firmy Philips a Sony prišli (1983) na trh s kompaktným diskom (CD), obe firmy začali predaj kompaktných diskových prehrávačov a po vzájomnom súperení spojili sily, aby vyvinuli nové záznamové médium. Na CD je digitálny záznam s každou sekundou zvuku na začiatku kódovaný ako 705 600 bitov – 16 bitov pre každú zo 44 100 vzoriek a nakoniec kódovaný s asi trikrát väčším počtom bitov, aby sa zohľadnila korekcia chýb a ďalšie požiadavky. Prehrávač CD diskov uskutočňuje postupnosť úloh spracovania signálu, aby produkoval zvuk v oveľa vyššej kvalite než skoršie záznamové technológie: väčšia šírka pásma, plochejšia frekvenčná odozva, väčší dynamický rozsah, lepší pomer signálu a šumu. CD rýchlo nahradil fotografický záznam a prispel k rozvoju ďalšieho média, tak ako CD-ROM uvedený firmami Philips a Sony v r. 1984 ako počítačová pamäť.

V januári 1984 začala Apple Company predaj svojho počítača Macintosh. Graficko-používateľské rozhranie zavedené na Macintoshoch bolo omnoho ľahšie použiť než diskovo-operačné systémy z iných osobných počítačov, ktoré požadoval používateľ napísať podrobne v podobe znakovo dokonalých príkazov.

Prvá verzia softvéru World Wide Web, ktorú vytvoril Sir Tim Berners-Lee a ďalší, začala pracovať v rámci CERN-u (Genova-based European Organization for Nuclear Research so sídlom neďaleko Ženevy) v decembri 1984, celosvetovo v r. 1989. Prvý sieťový prehliadač vytvoril T. Berners-Lee v r. 1990 ešte ako pracovník CERN-u. Prehliadač bol sprístupnený mimo CERN-u v r. 1991. Prístup bol umožnený najskôr iným výskumným ústavom v januári 1991 a potom širokej verejnosti v auguste 1991. World Wide Web je začiatkom informačnej éry, je prvým nástrojom, ktorý využívajú miliardy ľudí na vzájomne ovplyvňovanie sa pomocou internetu. Bernersova-Leeova vízia globálneho spojeného informačného hypersystému bola prijatá v druhej polovici 80. rokov. V r. 1988 sa realizovalo prvé priame IP spojenie medzi Európou a Severnou Amerikou; T. Berners-Lee začal otvorene diskutovať o podobných možnostiach webu, ako mal systém v CERN-e. S pomocou spolupracovníka a hypertextového odborníka entuziastu Roberta Cailliaua vydal ďalší oficiálny návrh, 12. novembra 1990 postavil „hypertextový projekt“ nazvaný WorldWideWeb (jedno slovo) ako „web hypertextových dokumentov“ zobrazených podľa „prehliadačov“ použitím architektúry klient – server.

Vo vývoji supravodivých materiálov priniesla prevratný krok až druhá polovica roku 1986 a rok 1987. V priebehu tohto obdobia sa fyzikom podarilo v stabilných materiáloch spĺňajúcich všetky kritériá supravodivosti (supravodičoch II. typu) zvýšiť ich kritickú teplotu na 100 K a v menej stabilných materiáloch dokonca na omnoho vyššiu. Vedec čínskeho pôvodu Chu Ching-wu z Houstonskej univerzity nahradil lantán ytriom a v materiáli na báze YBaCuO zistil prechod k supravodivosti pri kritickej teplote nad 90 K. Takmer súčasne sa výskumníkom z iných krajín a ústavov podarilo na materiáli s rovnakou bázou, ale s iným pomerným zastúpením, zvýšiť kritickú teplotu na 100 K. Postupne sa našiel celý rad vysokoteplotných supravodivých materiálov (HTS) postavených na tzv. 1-2-3 zlúčeninách s chemickým vzorcom Y1Ba2Cu3O7-x alebo La1Ba2Cu3O7-x. Najvyššia dosiahnutá kritická teplota bola 160 K. Dosiahla sa aj podstatne vyššia kritická teplota (nad 300 K), ale jej supravodivosť mala len krátke trvanie, lebo mizne už pri nepatrnej prúdovej hustote. Najvyššia teplota, aká bola zatiaľ v HTS dosiahnutá, bola 138 K (–135 °C). Týmto supravodičom je (Hg0,8Tl0,2)Ba2Ca2Cu3O8,33. Výroba supravodiča je pomerne nenáročná, ale zložitejšia je výroba dlhých drôtov, ktoré sú potrebné na aplikácie. Jedným príkladom aplikácie supravodivosti je supravodivá levitácia. Využíva sa pri nej elektromagnetická indukcia supravodiča a jeho nulového špecifického odporu. Možností využitia supravodivosti je obrovské množstvo, od superrýchlych supravodivých prechodov – základu budúcich počítačov, až po vysokoprúdové transformátory, prerušovače prúdu v elektrárňach alebo obrovské lode s magneticko-hydrodynamickým pohonom. Množstvo týchto aplikácií je v štádiu laboratórnych skúšok a ďalšie čakajú na svoju šancu.

Snahou v oblasti inžinierstva magneticky mäkkých materiálov bolo dosiahnuť taký veľký rozmer zŕn, ako je to možné, aby sa dosiahla najmenšia koercivita a vysoká permeabilita. Situácia sa začala meniť v súvislosti s amorfnými magneticky mäkkými zliatinami, čo sa dramaticky zmenilo objavením zliatin na báze Fe s ultrajemnou kryštalickou štruktúrou, ktoré sa ukazovali ako mimoriadne magneticky mäkké. Príkladom bola odstránená sklovitosť zliatiny FeCuNbSiB, ktorú v r. 1988 pripravili Y. Yoshizawa, S. Oguma, K. Yamauchi a žíhaním amorfného magnetika zhotovili prvé nanokryštalické magnetiká. Tieto nanomagnetiká mali ultrajemnú štruktúru zŕn s typickými rozmermi 10 – 15 nm. Pravdepodobne tento dátum sa stal míľnikom nástupu nanotechnológií v technike, konkrétne v elektrotechnike a všeobecne vo výskume materiálov.

Prvý globálny navigačný systém GPS (Global Positioning System) bol zavedený 14. 2. 1989, najskôr však iba na vojenské účely a postupne sa rozvíjal aj na bežné používanie. Históriu družicových systémov môžeme začať datovať od začiatku 60. rokov, keď memorandom ministerstva obrany USA boli vzdušné sily poverené zlúčením pokusných programov do programu GPS NAVSTAR. Po vynájdení umelých družíc Zeme sa začalo uvažovať, či by sa nedali pomocou nich vyvinúť presnejšie navigačné systémy. Prvý takýto navigačný systém s názvom Transit uviedli do prevádzky USA v 60. rokoch. Koncom 60. rokov uviedol aj Sovietsky zväz do prevádzky navigačný systém s názvom Cyklon; dodnes sú používané ďalšie dva obdobné systémy. Po skúsenostiach s Dopplerovskými systémami sa začiatkom 70. rokov USA rozhodli vybudovať nový družicový navigačný systém, ktorý by umožňoval určenie polohy v trojrozmernom priestore spolu s presným časom a sprístupnil by tak družicovú navigáciu aj letectvu.

Hubblov vesmírny teleskop bol vypustený v r. 1990 a napriek nešťastnej chybe pri výrobe zrkadla, ktorá musela byť korigovaná, čoskoro produkoval zobrazenia kozmu s nebývalou jasnosťou a hĺbkou. Hubble bol z vesmíru pripojený prostredníctvom NASA`s Compton Gamma Ray Observatory, znovu bol vypustený v r. 1991 a bol spojený s Chandra X-ray Observatory v r. 1999. Tieto tri nástroje ukázali, že sú rohom hojnosti poslednej dekády 20. storočia, zlatým vekom pre astronómiu, astrofyziku a kozmológiu.

Vysokofrekvenčný aktívny polárny výskumný program (High-frequency Active Auroral Research Program, HAARP) bol spustený do skúšobnej prevádzky niekedy po roku 1993 a plne dokončený v r. 2005. HAARP bol založený v r. 1980. Zariadenie je schopné skoncentrovať energiu niekoľkých GW vysielacieho výkonu do intenzívneho signálu s nepredstaviteľnou silou. HAARP je fázovo radený radar schopný vidieť za horizont. Fázovo radený radar je špičkový druh radaru, ktorý môže sledovať súčasne stovky objektov. Projekt takéhoto rozsahu je umiestnený v Gakone na Aljaške blízko miesta s anomálnou hodnotou intenzity magnetického poľa. HAARP je sieť údajne 160 obrovských, akoby televíznych antén, 22 metrov vysokých kovových veží odrážajúcich slnečné lúče na pozadí hory Sanford a údolia rieky Copper. Dr. Bernard Eastlund rozvinul ďalej Teslovu prácu zameranú na bezdrôtový prenos energie EMP a je aj jedným z tých vedcov, ktorí sa podieľali na konštrukcii HAARP-u. Oficiálne ide o program výskumu ionosféry so zameraním aj na bezdrôtový prenos elektrickej energie, ale prakticky všetky známe údaje svedčia o tom, že HAARP je aj zbraň alebo aspoň vojenské zariadenie. Pravdou však je, že ionosféry sa celkom iste dotýka. Ďalšou vlastnosťou zariadenia je schopnosť „vidieť“ kilometre do vnútra zeme, pod jej povrch. Podobné zariadenia ako HAARP boli realizované v Arecibo (Puerto Rico), vo Vasilsursku (Rusko) a v Tromsö (Nórsko). V r. 1977 bolo odhalené, že CIA realizovala výskumný projekt na ovládanie ľudskej mysle pomocou elektromagnetických vĺn. Podobný význam mal aj sovietsky systém Ďateľ (f = 7 Hz a ~ 14 Hz).

V r. 1994 dokončila Moving Picture Experts Grup (MPEG) hlavné časti MPEG-2, smernice pre video zhustenie (komprimovanie) a dekompresiu v zmysle vytvorenia jadra svetového štandardu pre digitálnu televíziu.

V r. 1995 sa začala gigačipová éra. Na IEEE Circuits Conference bola predstavená prvá 1 Gb dynamická RAM od Hitachi a NEC. DEC uviedlo prvý mikroprocesor s gigainštrukciou za sekundu. DVD (uvádzaný ako digitál videodisk – digital versatile disk) bol uvedený v r. 1995 s prísľubom odsunúť videopásky do histórie, podobne ako audiodisky spôsobili úplný krach o dekádu starších dlhohrajúcich gramofónových platní. V DVD sa využívali infračervené lasery a silné fokusovanie na dosiahnutie kapacity 4,7 GB.

V r. 1996 bol vyrobený zväzok 250 kW palivových článkov, a to pomocou Energy Research a ako prvý bol pripojený na elektrickú výkonovú sieť; prevádzka sa začala v Santa Clare v Kalifornii.

V r. 1998 IBM vyrobilo centrálny server na presiahnutie 1 000 miliónov inštrukcií za sekundu. IBM a Motorola nezávisle uviedli techniku, ktorá umožnila nahradenia hliníka medenými vodičmi v IO, ktoré tak mali menší elektrický odpor.

V septembri 1998 sa Microsoft stala najvýznamnejšou spoločnosťou na svete prevyšujúcou General Electric. V nasledujúcom roku Cisco Systems, dodávateľ hlavného reťazca internetového zariadenia, prevýšil Microsoft.

V r. 1999 sa začala konštrukcia na Medzinárodnej kozmickej stanici zamýšľanej ako prvé stále kozmické zariadenie s ľudskou posádkou.

Záver

Príspevok zachytáva vybrané medzníky vývoja elektrotechniky od konca 19. storočia až po rok 2000. Predložený prehľad ukazuje stav výskumu a využitia jeho výsledkov v niektorých oblastiach elektrotechniky. Progres elektrotechniky bol dielom viacerých bádateľov, vynálezcov, vedcov, ale aj šikovných realizátorov, ktorí sa dokázali správne a včas orientovať v spektre už dosiahnutých poznatkov vo využívaní vlastností elektromagnetického poľa a jeho šírenia. Rozvoj elektrotechniky teda nebol dielom len jednotlivých ľudí, ktorých významné činy boli publikované v populárnej, ale aj v odbornej tlači. Vieme, že príbeh elektriny sa nekončí. Svet bez elektriny by dnes skolaboval. Napája a osvetľuje svet, preniká do rôznych oblastí spoločnosti, pretože elektromagnetické javy stále ponúkajú nové riešenia a možnosti. Opäť stojíme na prahu objavov. Napríklad elektrický odpor spôsobuje 20 % stratu energie, ktorú vyprodukujeme. Keby sme mali supravodiče v elektrických zariadeniach, ušetrili by sme veľa energie, pretože naša závislosť od elektriny je čím ďalej, tým väčšia. Ak pripravíme vhodné supravodiče, bude to skok vo využití elektriny. Už prišlo čiastočne k prielomu, keď bol objavený vysokoteplotný supravodič. Ak sa zrealizujú supravodiče použiteľné pri izbovej teplote, výskum elektriny zase prinesie prevrat vo svete. Vysokoteplotné supravodiče sú preto významným očakávaným materiálom 21. storočia.

Cieľom príspevku bolo pripomenúť niektoré významné medzníky, ktoré majú vzťah k rozvoju poznania elektromagnetických javov a ich uplatneniu v elektrotechnike. Technických aplikácií, ktoré využívajú elektromagnetické javy, je určite oveľa viac. Výber predkladaných údajov je obmedzený niekoľkými faktormi, predovšetkým subjektívnym prístupom a niektorými nedostatkami v literatúre, o ktorú sa opierame. Datovanie v literatúre je občas nepresné, vo viacerých prameňoch rôzne, alebo úplne chýba. Na škodu objektívneho poznania histórie sa vynechávali a stále sa vynechávajú údaje o dôležitých osobnostiach, ktoré sa podieľali na vytváraní míľnikov rozvoja elektrotechniky. Často sa účelovo vyzdvihujú alebo naopak, zamlčujú niektorí výskumníci a vynálezcovia. Skresľuje to pohľad na zákonitosti, ktoré ovplyvňovali postupný progres v danej oblasti elektrotechniky. Objektívna história vývoja elektrotechniky má dať možnosť hlbšieho pochopenia podmienok jej vzniku a pohľad na vývoj elektrotechniky, aby sme mohli rozvinúť naše budúce poznanie v tejto oblasti.

Poďakovanie

Táto práca vznikla vďaka podpore Vedeckej grantovej agentúry MŠVVaŠ SR a SAV (projekty č. 1/0320/19, 1/0135/20 a 1/0135/20) a Agentúry na podporu výskumu a vývoja (kontrakty č. APVV-15-0257 a APVV-16-0059).

Literatúra

[1] NEBEKER, Frederik: Electric century. In: IEEE SPECTRUM, 2000, pp. 68 – 74.

[2] MAYER, Daniel: Seminární práce, která položila základy elektrotechniky (Příběh Gustava Roberta Kirchhoffa). Pohledy do minulosti elektrotechniky. In: Slaboproudý obzor, 2016, roč. 72, č. 4, s. 20 – 22.

[3] MAYER, Daniel: Jakým studentem byl Nikola Tesla? Pohledy do minulosti elektrotechniky. In: Slaboproudý obzor, 2017, roč. 73, s. 18 – 21.

[4] MAYER, Daniel: Heinrich Hertz a elektromagnetické vlny. In: Dějiny věd a techniky, 1989, roč. 22, č. 4, s. 209 – 222.

[5] WHITTAKER, Edmund: A History of the Theories of Aether and Electricity. London and New York Thomas Nelson and Sons Ltd. 1962.

[6] MAYER, Daniel: Pohledy do minulosti elektrotechniky. České Budějovice: Nakladatelství Kopp 2004. 427 s. ISBN 80-7232-219-2.

[7] SARKAR, K. T. at all: History of Wireless. Published by John Wiley & Sons, Inc., Hoboken. New Jersey 2006.

[8] BARRETT, R.: Popov versus Marconi: the century of radio. In: GEC Review, 1997, vol. 12, no. 2, pp. 107 – 116.

[9] SIMONS, R. W.: Guglielmo Marconi and early systems of wireless communication. In: GEC Review, 1996, vol. 11, no. 1, pp. 37 – 55.

Koniec seriálu

Jozef Sláma
FEI STU Bratislava
Ústav Elektrotechniky
jozef.slama@stuba.sk