Optická vlákna pomáhají při záchraně nejstaršího dřevěného stropu v ČR

Tým odborníků v čele s Petrem Münsterem z Ústavu telekomunikací Fakulty elektrotechniky a komunikačních technologií (FEKT) se od června 2024 podílí na záchraně nejstarší komplexně dochované konstrukce dřevěného stropu v České republice na hradě Zvíkov. Pomáhají jim k tomu optická vlákna.

Petr Münster, vedoucí výzkumné skupiny Optolab, FEKT VUT | Autor: Jakub Rozboud

Optická vlákna jsou obecně známá svým použitím pro datový přenos. Jejich výhodou oproti metalickým vodičům je jednak menší ztráta signálu při přenosu, tak vyšší přenosová rychlost a zároveň vysoká odolnost vůči elektromagnetickému rušení. Optická vlákna tak umožňují spojení mezi kontinenty, státy, městy, zkrátka mezi koncovými uživateli. Díky optickým vláknům máme Internet, televizi, je možné díky nim uskutečnit videohovory. Používají se pro veškerý přenos dat, ale dokáží toho ještě mnohem více. V případě průzkumu na hradě Zvíkov jsou používána pro svou schopnost měřit teplotu a mechanické namáhání. Vědci z výzkumné skupiny Optolab – Fiber Optics Group z FEKT tak mohou pomocí optických vláken zjišťovat stav hradního stropu.

Svazky optických vláken v porovnání s klasickými metalickými vodiči. | Autor: Jakub Rozboud

Klasické senzory se pro tento účel ukázaly být jako nevhodné, neboť jsou příliš invazivní. V případě vysoce hodnotné konstrukce raně gotického stropního prostoru pod sakristií bylo tedy nanejvýš na místě provést jemnou a přesnou práci, která co nejméně naruší strukturu dřeva. „Jedná se o pilotní projekt ve spolupráci s Národním památkovým ústavem, kde projekt zaštiťuje Mgr. et Mgr. Jana Fiala Tichá z Oddělení garantů národních kulturních památek, a Ústavem teoretické a aplikované mechaniky Akademie věd ČR Oddělením diagnostiky a konzervace památek (ÚTAM AV ČR), kteří nás oslovili. Celé to začalo jako náhoda s velmi rychlým spádem. S Ing. Michalem Kloiberem, Ph.D. z ÚTAM AV ČR jsem se potkal při rekonstrukci svého domu, kdy přišel zkontrolovat stav trámů střechy. Během toho jsme diskutovali i různá měření a já jsem mu představil výhody moderních optovláknových senzorů. Během pár měsíců už jsme konzultovali možnost měření na hradě Zvíkov, kde se v nedávné době podařilo dendrochronologicky datovat nejstarší ucelenou stropní konstrukci na území ČR. Jedná se o 8 tesaných stropních trámů se záklopem ze štípaných fošen včetně zásypu, a to z doby z druhé poloviny 13. stol. Příprava celkové koncepce měření, výroba senzorů brněnskou firmou Network Group s.r.o. a instalace zabraly dalších 5 měsíců, ale podařilo se nám zachování této komplexní konstrukce v její maximální autenticitě (tj. bez větších zásahů do konstrukce, hmoty a materiálů),“ uvádí Petr Münster, vedoucí výzkumné skupiny Optolab. Optická vlákna jsou tenká jako lidský vlas, a navíc jsou často přesnější a spolehlivější než běžně používané metody. Umí měřit s mikrometrovým rozlišením. Další výhodou je, že zvládnou kompenzovat teplotní změny, takže můžeme měřit více parametrů najednou.

Měření je plánováno na jeden rok, již nyní je možné ze záznamů měřících jednotek vystopovat závislosti mezi deformacemi jednotlivých trámů ve vztahu k fyzikálním vlastnostem (vlhkost dřeva, relativní vlhkost vzduchu či teplota). Výsledky poslouží k nejen hlubší analýze o stavu stropní konstrukce a dodají tak podklad pro další kroky vedoucí k záchraně tohoto historického unikátu, ale současně se budeme moci dozvědět více o chování staletých dřevěných prvků při aktuálních klimatických podmínkách a o jejich stavu, který souvisí se zazděním v nosném zdivu hradu.

Kde jinde je možné využít vlastností optických vláken?

Je to například měření teploty. Konkrétně můžeme uvést měření teploty palivových článků v malých jaderných reaktorech, což je jeden z dalších projektů, kterým se výzkumná skupina Optolab v současné době zabývá. Jedná se o projekt s podporou Technologické agentury České republiky (TAČR) realizovaný ve spolupráci dvou ústavů na FEKT VUT, a to Ústavem elektroenergetiky (UEEN) a Ústavem telekomunikací (UTKO), dále UJP PRAHA a.s. a ČVUT - Fakultou jadernou a fyzikálně inženýrskou. Systémy využívající optické vlákno jako senzor se ukázaly být vhodné pro hodnocení jevů souvisejících s krizí varu jaderného paliva, neboť jsou schopny rychle zaznamenat změny teploty od 0,1°C s centimetrovým prostorovým rozlišením. Z krátkodobého hlediska má přitom radiace na vlákna pouze minimální destrukční vliv. Včasná detekce změny teploty vedoucí k přehřátí poslouží k včasnému zastavení reaktoru. “Navržená měřící aparatura založená na optických vláknech pro použití v jaderné energetice je světově unikátní,” doplnil Petr Dejdar, který je zodpovědný za měření.

Zajímavým příkladem využití již existujících optických infrastruktur v budovách je schopnost optických vláken přenášet zvuk. Mohou tedy posloužit jako mikrofon. Tým Optolab se společně s Ústavem přístrojové techniky AV ČR, v. v. i. věnuje výzkumu citlivosti běžných telekomunikačních optických vláken na vlnění v akustickém spektru (projekt FIBERRISKS). Skutečnost, že by tak bylo možné odposlouchávat, co se děje v místnosti i několik kilometrů vzdálené, je zajímavá především pro bezpečnostní složky. Proto probíhá ve spolupráci s Ústavem fotoniky a elektrotechniky Akademie věd ČR i výzkumu nových typů vláken a jejich citlivosti na akustické vibrace. Tým z FEKT v této souvislosti zkoumá možnosti zvýšení efektivity ochrany optických sítí před neoprávněným odposlechem a kybernetickými útoky.

Optická vlákna také dokáží zachytit mechanické vibrace způsobené pohybem osob, zvířat či techniky. Ve spolupráci s firmou DFC Design, s. r. o. vyvíjí tým Petra Münstera senzorický systém k detekci narušení chráněného perimetru s dosahem až 30 km, prostorovým rozlišením od 2 m a využívající AI pro klasifikaci událostí. Konkrétně lze tento systém použít k zabezpečení areálu, kdy kabel s optickými vlákny umístěný na plotě zaznamená osobu, která se přes plot pokouší vniknout na pozemek. Lze využít i běžné telekomunikační kabely uložené až 1 metr pod zemí. Paradoxně je tato varianta mnohem přesnější z důvodu izolace kabelu od vnějších podmínek (například vítr nebo déšť) a navíc lze detekovat i možné podkopávání plotu.

Petr Münster a Tomáš Horváth z výzkumné skupiny Optolab, FEKT VUT. | Autor: Jakub Rozboud

Tým Optolab se dále zabývá detekcí anomálií v kritických infrastrukturách jako jsou např. energetické sítě, doprava či veřejná správa, a to s využitím strojového učení. Projekt ACIMA, pod vedením Tomáše Horvátha, si klade za cíl realizaci laboratorního optického testbedu, který umožní z přenosových parametrů optických signálů vyhodnotit manipulaci s kabelem, neoprávněné otevření kabelové šachty nebo identifikovat příčinu přerušení vlákna (zda se jedná o rozpojení kabelu ve spojce nebo překopnutí kabelu). Vědci jsou rovněž zapojeni do výzkumu v oblasti kvantové kryptografie pro bezpečnou komunikaci v datových sítích (projekt NESPOQ) a celkově tak vytváří, i s využitím moderních optických senzorů, systémy pro zvýšení bezpečnosti a odolnosti kritických infrastruktur.

Díky svým úspěchům v oblasti optických vláken v bezpečnostním výzkumu získali Petr Münster a Tomáš Horváth dva projekty určené na rozšíření mezinárodní spolupráce. V říjnu 2024 se spolu s dalšími odborníky v oblasti kyberbezpečnosti Janem Hajným a Lukášem Malinou zúčastnil Petr Münster mise 1. náměstka ministra zahraničních věcí Jiřího Kozáka do Utahu a Kalifornie. Cílem mise bylo posílení spolupráce s americkými univerzitami.

Na vědeckém výzkumu skupiny Optolab se mohou podílet i studenti, a to nejen doktorského studia. Je jim tak nabídnuta unikátní příležitost být součástí zkušeného týmu a podílet se na zajímavých projektech a zakázkách s předními českými i zahraničními institucemi a bezpečnostními složkami státu.

Autor: Zdeňka Koubová