Radar a mikrovlnka Augustina Žáčka

Téměř každý ví, že mikrovlnná trouba je kuchyňský elektrický přístroj na tepelnou úpravu pokrmů. Ne všichni ale slyšeli o českém fyzikovi Augustinu Žáčkovi. Přesto se právě on zasloužil o vynález tohoto kuchyňského pomocníka. Augustin Žáček se na základě elektromagnetických kmitů a zdrojů mikrovlnné energie podílel i na objevu magnetronů. Bez nich by neexistoval vojenský radar, který se stal spolu s dalšími radiolokačními a sdělovacími zařízeními nepostradatelný v letecké a námořní navigaci. Letos uplynulo 130 let od narození experimentálního fyzika Augustina Žáčka a 55 let od jeho úmrtí.

Neradostný prolog

Koncem února roku 1948 byly na základě výzvy Komunistické strany Československa ve všech městech a obcích, podnicích, úřadech, školách a dalších institucích ustavovány tzv. akční výbory Národní fronty. Cílem této nezákonné akce byla politická a existenční likvidace stoupenců demokracie jejich odvoláním ze zastávaných funkcí, propouštěním ze zaměstnání či vylučováním z veřejného života. Jednou z prvních obětí čistek na Přírodovědecké fakultě Univerzity Karlovy byl profesor experimentální fyziky PhDr. Augustin Žáček. Zrudlí studenti a zaměstnanci-členové fakultní organizace KSČ pověstně přísného a při zkouškách náročného učitele jak se tehdy říkalo, „vyakčnili“. Protože se veřejně odmítl smířit s nastoupenou cestou nedemokratického vývoje naší republiky, jeho téměř čtyřicetileté pedagogické a vědecké působení na pražské univerzitě skončilo v roce 1949 natrvalo.

Dalším důvodem, proč se ocitl mezi prvními propuštěnými profesory, byla četná setkání s americkými odborníky po roce 1945, kteří se zajímali o jeho práci. Údajně se s vysokými důstojníky americké armády dveře do Žáčkovy pracovny takřka netrhly. To si ovšem zapamatovali ostražití komunisté a Žáčkovo jméno po téměř půl století úmyslně skryly ve stínu zapomnění i před odbornou a zejména studentskou veřejností. Včetně jeho vypuštění z učebnic. Znovu se objevilo až počátkem 90. let minulého století a v následujících letech, kdy oprávněně zaujalo své skutečné postavení významné osobnosti průmyslové elektroniky a rádiové komunikace v české i světové historii vědy a techniky.

Na Filozofické fakultě studoval matematiku a fyziku

Augustin Žáček (v některých pramenech August) se narodil v Dobešicích u Protivína 13. ledna před 130 lety. S vyznamenáním absolvoval českobudějovické gymnázium a v letech 1905 až 1910 studoval na Filozofické fakultě pražské české univerzity matematiku a zejména fyziku. Po státnicích v prosinci 1909 na základě disertační práce O zjevech kapilárních byl v následujícím roce promován na doktora filozofie (philosophiae doctor). Se svojí alma mater zůstal spjat po celý život.

V roce 1910, právě v den svých narozenin, se stal druhým asistentem C. k. Fyzikálního ústavu v Praze, v jehož čele stál další z jeho učitelů (kromě dvorního rady profesora PhDr. Františka Koláčka a předčasně zesnulého profesora PhDr. Bohumila Kučery, považovaného za nejtalentovanějšího českého fyzika první čtvrtiny 20. století), profesor experimentální fyziky Čeněk Strouhal (1950-1922).

Habilitoval na Přírodovědecké fakultě pražské české univerzity

Ve školním roce 1911/1912 Žáček působil na Filozofické fakultě göttingenské univerzity, kde se v laboratořích Ústavu pro aplikovanou nauku o elektřině zabýval generováním elektromagnetických vln pomocí obloukového výboje. Pobyt na jedné z nejvýznamnějších německých univerzit zúročil při habilitačním řízení na Přírodovědecké fakultě pražské české univerzity. Na základě předložené Studie o kondenzátorových kruzích, která vyšla v roce 1917 ve Věstníku Královské společnosti nauk, a s přihlédnutím k jeho dosavadní vědecké a pedagogické činnosti, se v roce 1918 habilitoval jako soukromý docent.

Vedoucím stolice pro užitou fyziku samostatné přírodovědecké fakulty

Po vzniku Československé republiky v roce 1918 byla 24. června 1920 zřízena další fakulta Karlovy univerzity – samostatná přírodovědecká fakulta. Zde se Žáček stal vedoucím nově zřízené stolice pro užitou fyziku a v roce 1921 i mimořádným a po ročním osvědčení řádným profesorem pro obor experimentální fyzika. Obsahem jeho přednášek byla teorie střídavých proudů, elektrických oscilací, bezdrátové telegrafie a telefonie, elektronových lamp a jejich technických aplikací, termodynamiky a encyklopedie elektrotechniky. Tehdy také napsal několik odborných prací: Elektronové lampy (1922), Nová metoda k výrobě ultrakrátkých vln (1924) a Metoda k měření malých vzájemných indukcí (1930).

První pokusy s radiotelefonií

Již rok po vzniku Československa zorganizoval docent Žáček první pokusy s bezdrátovým vysíláním slova a hudby. 28. října 1919 se z vojenského vysílače na petřínské rozhledně v Praze ozvalo zkušební hodinové vysílání s cílem vyzkoušet bezdrátový přenos (tehdy nazývaný radiotelefonií). Žáček přitom spolupracoval s techniky Prokopem Ryvolou a Jaroslavem Kejřem. Ti připojili uhlíkový mikrofon k francouzské armádní vysílačce a asi hodinu před ním zpívali, recitovali básně a hráli na housle. Docent Žáček jejich první bezdrátový přenos na čs. území sledoval z fyzikálního kabinetu. Přenosy z Petřína se opakovaly v letech 1920 a 1921 za velkého zájmu presidenta T. G. Masaryka. Řádné vysílání začalo v květnu 1923 prostřednictvím vysílače o výkonu 1 kW umístěného na kbelském vojenském letišti.

Spolupráce na rentgenové spektroskopii

Ve školním roce 1923/1924 byl pozván na univerzitu do švédského Lundu, kde spolupracoval na problematice rentgenové spektroskopie s Karlem Mannem Georgem Siegbahnem (1886-1978). Ten za objevy a výzkumy v této oblasti získal již v roce 1924 Nobelovu cenu za fyziku. Rok 1924 se stal úspěšným i pro Žáčka, který svou další výzkumnou práci směroval na dynamicky se rozvíjející vědecko-technický obor, elektroniku (název navrhl již v roce 1904 německý fyzik Johannes Stark).

Po návratu ze zahraniční stáže se soustředil na studium zdrojů záření pro vlnová pásma 10 až 30 cm. Vycházel z poznatku, že ke generaci extrémně vysokých kmitočtů nelze používat klasické rezonátory, ale elektrická vedení s definovanou délkou. Proto ke svému výzkumu zvolil koaxiální diodu v magnetickém poli. Při překročení prahové hodnoty pole prokázal vznik oscilací na vlnové délce 29 cm. Odvodil vzorce pro vlnovou délku generované vysokofrekvenční energie, respektující vliv prostorového náboje. To vše jej přivedlo k objevu výkonového generátoru centimetrových elektromagnetických vln – magnetronu, vhodného například k provozu radiolokačních a sdělovacích systémů.

Magnetron

Magnetron je vakuová dioda s axiální přímo žhavenou katodou, procházející osou válcové anody. Toto uspořádání vytváří radiální elektrické pole. Kolmo k němu, ve směru osy válcové anody, působí magnetické pole, které se obvykle vytváří vnějším permanentním magnetem. Magnetické pole tak působí na elektrony, pohybující se od katody k anodě, a zakřivuje jejich dráhu. Při určité intenzitě magnetického pole nemohou elektrony katody dosáhnout. Součástí magnetronu jsou laděné rezonanční obvody ve tvaru dutinových rezonátorů, připojených k jednotlivým segmentům anody. Tyto rezonátory kmitají netlumenými kmity, přičemž hradí své ztráty z pohybové energie elektronů.

O svém objevu zveřejnil A. Žáček pouze krátkou předběžnou zprávu „Nová metoda k vytvoření netlumených oscilací“ v Časopise pro pěstování matematiky a fysiky v květnu 1924 a současně svůj objev přihlásil k patentování. Čs. patent č. 20293 pod názvem Spojení pro výrobu elektrických vln získal od Patentního úřadu Republiky československé v roce 1926. Pravděpodobně první myšlenku magnetronu uvedl v roce 1921 americký fyzik a technik Albert Wallace Hull z General Electric Company; ten byl zpočátku považován za jeho hlavního tvůrce. Augustin Žáček však v roce 1924 jako první sestrojil funkční magnetron. Světová priorita jeho magnetronového generátoru mu byla přiznána až v roce 1929. Významným pokrokem v této oblasti byl dutinový magnetron, který v roce 1939 vynalezla skupina britských vědců z univerzity v Birminghamu.

Cesta za radarem

Speciální elektronku, která měla mít rozhodující podíl pro konstrukci radaru pracujícího i na větší vzdálenosti, hledali konstruktéři po celém světě už od 30. let minulého století. Žáčkovo zdokonalení magnetronu, které popsal ve vědeckém časopise Zeitschrift für Hochfrequenztechnik v listopadu 1928, náhodou objevil a použil Sir Robert Alexander Watson-Watt. Na nyní již funkční radar mu byl v dubnu 1935 udělen britský patent.

Označení „radar“ se začalo používat v americkém námořnictvu, jde o zkratku z anglického Radio-Detection and Ranging (radiový systém vyhledávání a zaměření). První vojenský radiolokátor, díky využití magnetronů pro ještě kratší vlnové délky, zkonstruovali v roce 1938 technici v Royal Radar Establisments (Královský radarový ústav) ve Velké Británii. A to v hodině dvanácté, neboť zahájení druhé světové války bylo již na spadnutí.

Aktivity Žáčka v akademickém světě

Žáčkova vědecká a pedagogická činnost byla úzce spjata s četnými aktivitami ve vědeckých a odborných společnostech a v akademickém životě. Dlouhá léta spolupracoval s Jednotou českých matematiků a fyziků a Elektrotechnickým svazem československým, od roku 1921 byl řádným členem Královské české společnosti nauk a řádným členem II. třídy (vědy matematické, přírodovědecké a geografické) Československé akademie pro vědy a umění (1946), po vzniku Masarykovy akademie práce se v roce 1920 stal tajemníkem přírodovědecko-lékařské třídy, působil v České vědecké zkušební komisi pro učitele na středních školách jako examinátor pro fyziku. To vše stihl vedle vedení Fyzikálního ústavu, kde se zaměřil zejména na výchovu nové generace odborníků v oblasti aplikované elektrotechniky.

Před více než půl stoletím koncipoval u nás obor vysokoškolského studia užité fyziky, dnešního fyzikálního inženýrství. Jeho asistenty při výzkumných pracích se stali později významní představitelé české vědy a techniky – Rudolf Šimůnek, Václav Dolejš, Václav Petržílka a Bohuslav Pavlík. Výrazem úcty k Žáčkově pedagogickému působení bylo jeho zvolení děkanem Přírodovědecké fakulty Univerzity Karlovy ve školním roce 1931/1932.

Role radarů ve druhé světové válce

Po uzavření českých vysokých škol v roce 1939 Žáček odešel podobně jako ostatní členové profesorského sboru na nucenou dovolenou. Je až ohromující představit si německé vědce zoufale hledající klíčovou součást radaru a netušící, že její vynálezce sedí doma v okupované Praze a na přísně zakázaných krátkých vlnách poslouchá zprávy o vzdušné bitvě o Anglii, ve které i „jeho“ radar hraje významnou roli. Na východním a jihovýchodním pobřeží totiž Angličané vybudovali v roce 1940 řetěz radarů s  anténami na 120 m vysokých stožárech, které mohly včas lokalizovat (až do vzdálenosti 160 km) nepřátelská letadla a sledovat jejich manévrování.

Ve spolupráci se svým asistentem Dr. Václavem Petržílkou (později profesorem na ČVUT a jedním ze zakladatelů Ústavu jaderné fyziky v Řeži) se Žáčkovi podařilo v průběhu druhé světové války riskantně zachránit většinu vybavení Fyzikálního ústavu před jeho odvezením do Německa, takže po válce mohly výzkumy pokračovat v původních třech odděleních ústavu experimentální fyziky – spektroskopie, vědecké fotografie a fotochemie.

V působení již bohužel nemohli pokračovat Žáčkovi kolegové, kteří patřili k šesti obětem z řad profesorů a docentů pro podezření z odbojové protiněmecké činnosti – profesor experimentální fyziky Václav Dolejšek (1895-1945) a profesor teoretické fyziky František Záviška (1879-1945).

Přednáškové sály po válce zaplnily stovky nových i staronových posluchačů, učitelé za vydatné pomoci studentů v poválečném entusiasmu urychleně obnovili provoz v jednotlivých ústavech. Zdálo se, že po téměř šestileté nucené přestávce se i profesoru Žáčkovi otevřela nová kapitola v pedagogické a výzkumné činnosti. Bohužel, on sám se do svého fyzikálního kabinetu Na Karlově vrátil jen na krátkou dobu.

Znovu začal přednášet již v červnu 1945 v tzv. přechodném letním semestru. Jako ředitel Fyzikálního ústavu pražské univerzity vedle jeho vedení a vlastních přednášek vyučoval experimentální fyziku také pro mediky, farmaceuty a posluchače dalších oborů. Psal skripta a učebnice, podílel se na obnově činnosti odborných společností, na pozvání Mezinárodní fyzikální unie se v roce 1947 zúčastnil konference o kosmickém záření v Krakově. Politické události však brzy zasáhly také akademickou půdu. Vrcholem byl „vítězný únor“ v roce 1948.

Neradostný konec života slavného českého vědce

Aby se politickým prověrkám a celkové tísnivé atmosféře na své milované alma mater vyhnul, Žáček přijal pozvání na dlouhodobou vědeckou stáž spojenou s přednáškami na vysokých školách ve Švédsku, což mu ale „strana a vláda“ nepovolila. Jeho vědecká aktivita skončila 1. dubna 1949, kdy byl na základě rozhodnutí Ústředního akčního výboru Národní fronty přeložen do trvalé výslužby.

Ovdovělý, bezdětný vědec, který se stal soukromou osobou bez možnosti jakékoliv odborné činnosti, neprožíval poslední roky svého života snadno. Univerzitní profesor, významný experimentální fyzik, jehož vědeckou práci a prioritu v objevu funkčního magnetronu uznával celý svět, zemřel ve věku 75 let 26. října 1961 v anonymním ústraní v Praze. Pohřben je v Protivíně.

Zdroje

Bober, J.: Laureáti Nobelovy ceny. Obzor, Bratislava 1971.

Efmertová, M.: Elektrotechnika v českých zemích a v Československu do poloviny 20. století: studie k vývoji elektrotechnických oborů. Libri, Praha 1999.

Efmertová, M.: Osobnosti české elektrotechniky. ČVUT, Praha 1998.

Heřman, J.: Od jantaru k tranzistoru: elektřina a magnetismus v průběhu staletí. FCC Public, Praha 2006.

Kolektiv: Ottův slovník. Osobnosti Česka. Ottovo nakladatelství, Praha 2008.

Kraus, I.: Století fyzikálních objevů. Academia, Praha 2014.

Kubín, M.: Proměny české energetiky. Historie. Osobnosti. Vědecko-technický rozvoj. ČSZE, Praha 2009.

Kvítek, M.: Průkopníci vědy a techniky v českých zemích. Fragment, Praha 1994.

Mayer, D.: Pohledy do minulosti elektrotechniky: objevy, myšlenky, vynálezy, osobnosti. Kopp, České Budějovice 2004.

Meidenbauer, J.: Objevy & vynálezy. Rebo Productions, Čestlice 2005.

Mikeš, J., Efmertová, M.: Elektřina na dlani. Kapitoly z historie elektrotechniky v českých zemích. Milpo Media, Praha 2008.

Pickover, C. A.: Kniha o fyzice. Argo/Dokořán, Praha 2015. Stránský, J.: Od bezdrátové telegrafie k dnešní radiotechnice. Academia, Praha 1983.

Toufar, P.: [Sedm] divů Česka. Edice ČT, Praha 2010.

Žáček, A.: Nová metoda k vytvoření netlumených oscilací. Časopis pro pěstování matematiky a fysiky, 053.4 (1924): 378-380.