Dr inż. Łukasz Sterczewski z Wydziału Elektroniki PWr przebywa na dwuletnim stażu w Laboratorium Napędu Odrzutowego NASA. Pracując nad ultra dokładnymi laserami, spotykając kandydatów na astronautów, konstruktorów łazików i satelitów, poznaje branżę kosmiczną z zupełnie nowej perspektywy. 

Laboratorium Napędu Odrzutowego (Jet Propulsion Laboratory, JPL) NASA to jedno z centrów badawczych amerykańskiej agencji kosmicznej, które znajduje się w Pasadenie w stanie Kalifornia. Placówka ta odpowiada m.in. za prowadzenie kosmicznych lotów bezzałogowych i jest centrum dowodzenia dla prób przeprowadzanych przez NASA w przestrzeni kosmicznej poza strefą przyciągania Ziemi.

Wśród projektów prowadzonych w laboratorium znalazły się misja Gallileo Jupiter, misje łazików marsjańskich Mars Pathfinder i Mars Exploration Rovers.

Dr inż. Łukasz Sterczewski tytuł inżyniera uzyskał na kierunku Automatyka i Robotyka na Wydziale Elektroniki PWr, a studia magisterskie ukończył z wyróżnieniem na anglojęzycznej specjalności "Advanced Applied Electronics" na kierunku Elektronika. W 2018 r. uzyskał stopień doktora nauk technicznych w dziedzinie telekomunikacji za wyróżnioną rozprawę "Signal processing in terahertz and mid-infrared spectroscopy with frequency combs", której promotorem był prof. Edward Pliński z PWr, a kopromotorem prof. Gerard Wysocki z Uniwersytetu Princeton.

Jest m.in. zdobywcą grantu naukowego Fundacji Kościuszkowskiej na badania naukowe w USA w 2017 r., Stypendium Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego za wybitne osiągnięcia w roku akademickim 2017/2018 oraz laureatem stypendium Start przyznawanego przez Fundację na Rzecz Nauki Polskiej dla najzdolniejszych młodych naukowców z 2018 r.

Łącząc dwa światy

W swojej pracy naukowej zajmuje się spektroskopią laserową, czyli techniką, w której wykorzystuje się laser do badania odziaływania światła z materią. To z kolei umożliwia oszacowanie składu chemicznego badanej próbki i to nawet w sposób zdalny – wystarczy, że światło lasera przejdzie przez badany obiekt i do niego wróci.

– W przeciwieństwie do mocno ugruntowanych już technik spektroskopii, jak Fourierowska bazująca na ciężkich i niepraktycznych urządzeniach z ruchomym zwierciadłem, albo tych wykorzystujących słabo przestrajalne lasery jednoczęstotliwościowe, ja rozwijam technikę łączącą te dwa światy: technikę spektroskopii na optycznych grzebieniach częstotliwości bazującą na lekkich i przenośnych źródłach półprzewodnikowych. Po laserze jednoczęstotliwościowym odziedziczyła ona zdolność przeprowadzania pomiarów wysokiej rozdzielczości, a po spektroskopii Fourierowskiej, bazującej na szerokopasmowych emiterach cieplnych, zdolność do pokrywania szerokiego zakresu widma optycznego. Dzięki grzebieniom częstotliwości możemy mierzyć widmo optyczne w szerokim zakresie, z wysoką rozdzielczością w krótkim czasie pomiaru bez żadnych części ruchomych, a to wszystko przy dużym obniżeniu poboru prądu i wysokiej skali miniaturyzacji. Ma to duże znaczenie dla urządzeń z zasilaniem bateryjnym albo solarnym – tłumaczy naukowiec.

W praktyce technika ta pozwala na szybkie i precyzyjne badanie składu atmosfery i występujących w niej śladowych ilości różnych gazów i związków, zarówno na ziemi, jak i w przypadku odległych planet, gdzie aparatura spektroskopowa może być wysłana na pokładzie sond kosmicznych. Ze względu na precyzję pomiaru, miniaturyzację i długi czas życia lasera, technika ta może mieć zastosowanie w aplikacjach militarnych, gdzie szybki pomiar atmosfery na obecność określonych substancji ma często kluczowe znaczenie. Odbiorcą może być również przemysł petrochemiczny, farmakologiczny oraz transport morski i lotniczy.

Z PWr do Princeton

Jego przygoda z Ameryką zaczęła się późną wiosną 2015 r. właśnie na Politechnice Wrocławskiej. Będąc doktorantem pierwszego roku, uczestniczył w wykładach prof. Gerarda Wysockiego z Uniwersytetu Princeton, który przebywał na naszej uczelni w ramach programu Visiting Professors.

– Zaimponował mi wtedy nowatorski charakter badań prowadzonych przez profesora na Princeton oraz ich zbieżność z moimi zainteresowaniami. Po pierwszym wykładzie zostałem na sali i przedstawiłem mu swoje badania oraz eksperymenty spektroskopowe. Po dłuższej chwili padło z ust prof. Wysockiego nieoczekiwane pytanie: „Czy chciałbyś wyjechać do Ameryki?”. Bez wahania odpowiedziałem tak, choć wywracało to moje ówczesne życie do góry nogami – przyznaje dr Sterczewski.

Już jesienią 2015 r. dołączył do zespołu prof. Wysockiego i w USA spędził 2,5 roku. W tym czasie pracował nad wysoce zminiaturyzowanymi laserami kaskadowymi emitującymi światło w zakresie średniej i dalekiej podczerwieni, ich wykorzystaniem do wykrywania śladowych ilości gazów o dużym znaczeniu dla środowiska oraz obrazowaniu próbek farmaceutycznych.

W trakcie pobytu w Princeton przed naukowcem niespodziewanie pojawiła się szansa na podjęcie pracy w Laboratorium Napędu Odrzutowego NASA. Podczas jednej z konferencji naukowych prof. Wysocki zainicjował współpracę z naukowcami z Laboratorium Mikrourządzeń JPL. W jej efekcie do laboratorium w Princeton trafiły lasery podobne do tych, które zostały wykorzystane w misji Curiosity do detekcji metanu na Marsie.

– Mowa oczywiście o międzypasmowych laserach kaskadowych (ICL, interband cascade laser). Byłem tym mocno podekscytowany i szybko zaprojektowałem odpowiednie oprzyrządowanie do ich charakteryzacji. Dzięki niemu odkryliśmy wiele ciekawych zjawisk występujących we wnękach tych miniaturowych źródeł promieniowania laserowego, a uzyskane wyniki zainteresowały naszych partnerów naukowych. Po pół roku otrzymałem od nich zaproszenie do aplikowania na program JPL Graduate Fellowship, który oferuje ludziom z prawie całego świata poznanie „smaku” badań nad technologiami kosmicznymi. Udało mi się i latem 2017 roku dołączyłem do laboratorium jako stażysta wakacyjny – mówi dr Sterczewski.

Biurokracja nie taka straszna

Po zakończeniu stażu postanowił wrócić do USA po obronie doktoratu, jednak tym razem w innym konkursie i na dłużej. Szansą na to był działający od wielu lat specjalny program zarządzany przez Universities Space Research Association, zwany „NASA Postdoctoral Program”. Żeby wziąć w nim udział, należy przygotować aplikację w konsultacji z potencjalnym opiekunem, pozyskać trzy listy rekomendacyjne oraz dostarczyć wymagane dokumenty. Wniosek jest oceniany przez zewnętrznych recenzentów i musi uzyskać wymaganą liczbę punktów. 

– Nie miałem żadnych problemów z przygotowaniem dokumentów. Nasz dyplom doktora jest respektowany za granicą, a panie w dziekanacie studiów doktoranckich okazały mi dużo pomocy i zrozumienia. Na przykład jedno z obostrzeń zabraniało aplikantowi przesyłania dyplomu doktorskiego samodzielnie. Mogło to się odbyć tylko z poczty elektronicznej pracownika dziekanatu i na dodatek musiało być wysłane tylko szyfrowaną pocztą. Mimo tak wymyślnych wymagań wszystko odbyło się bez żadnych komplikacji – dodaje. 

Decyzja przyznająca naszemu naukowcowi staż podoktorski w Laboratorium Napędu Odrzutowego NASA zapadła w październiku 2018 r. i dr Sterczewski mógł rozpocząć przygotowania do wyjazdu. Niespodziewanie pojawiły się jednak kłopoty z… „government shutdown”, czyli tzw. „zamknięciem rządu” w USA, do którego doszło w grudniu 2018 r. w związku z problemami z uchwaleniem budżetu na rok 2019 r.

– Do samego końca nie wiedziałem, czy polecę w wyznaczonym terminie. Na kilka tygodni przed wyjazdem otrzymywałem e-maile, których treść stawiała mój wyjazd pod znakiem zapytania. Na szczęście rządzący doszli do kompromisu i wszystko odbyło się zgodnie z planem – mówi dr Sterczewski.

Jak się pracuje w NASA?

Staż podoktorski w NASA rozpisany jest na dwa lata, a w jego ramach uczestnik otrzymuje comiesięczne stypendium oraz dofinansowanie do ubezpieczenia zdrowotnego. Ma także zapewniony budżet na wyjazdy konferencyjne oraz podróże służbowe. O zakwaterowanie trzeba już jednak zadbać we własnym zakresie, ponieważ akademiki Kalifornijskiego Instytutu Technicznego (Caltech) są dostępne głównie dla doktorantów i studentów. Większość stażystów musi więc szukać mieszkania w większej odległości od laboratorium i dojeżdżać tam na własną rękę.

– W trakcie stażu prowadzę badania nad wykorzystaniem optycznych grzebieni częstotliwości na bazie międzypasmowych laserów kaskadowych do wykrywania śladowych ilości molekuł organicznych w stanie gazowym. Innymi słowy, badam możliwość wykorzystania tych źródeł w spektrometrze analogicznym do tego, który już na Marsie jest. Jednak tym razem zamiast badać tylko wąski fragment widma optycznego, chciałbym wykonywać pomiar na prawie stu długościach fali jednocześnie. Ta unikalna struktura źródła światła, w której zamiast jednej linii mamy równoodległe zęby grzebienia częstotliwości, pozwala na pomiary o niespotykanej do tej pory precyzji częstotliwości i umożliwia badania przemian chemicznych o dużej dynamice czasowej. Doskonale nadaje się ona do mieszanin gazów, gdzie informacja z wielu linii absorpcyjnych jednocześnie pozwala na dokładniejsze oszacowanie składu procentowego mieszaniny – wyjaśnia naukowiec.

Efektem i kluczowym elementem prowadzonych badań są oczywiście publikacje. Dr Sterczewski może się już pochwalić dwiema publikacjami w recenzowanych czasopismach naukowych oraz kolejnymi materiałami, które są obecnie w trakcie redagowania.

Wcześniejszy pobyt w Princeton i wakacyjny staż w NASA pozwolił naszemu naukowcowi na zapoznanie się z zasadami panującymi w tego typu placówkach, ale dopiero dłuższy pobyt dał mu szansę na poznanie ciekawostek związanych z pracy w agencji kosmicznej.

– Na przykład Kalifornia jest rejonem o wzmożonej aktywności sejsmicznej i trzęsienia ziemi stanowią tu poważne zagrożenie – od wielu lat mówi się o nachodzącym kataklizmie. Dlatego w JPL okresowo symuluje się takie zdarzenie, aby wyrobić w pracownikach naturalne odruchy, jak się w takiej sytuacji zachować. Z głośników w budynku słychać wtedy odgłos trzęsącej się ziemi i alarmów samochodowych, a pracownicy muszą schować się pod biurko i przeczekać symulowane zdarzenie. Są też specjalne procedury zabezpieczania cennego sprzętu do misji kosmicznych na wypadek takich zdarzeń – opowiada naukowiec. 

To, czego doświadcza niemal codziennie i za co jest najbardziej wdzięczny, to łatwość nawiązywania kontaktu i  konstruktywnej rozmowy bez barier z ludźmi wielkiego formatu, specjalistami najwyższej klasy w swoich dziedzinach, z którymi ma okazję stykać się codziennie w rożnych okolicznościach na terenie kampusu lub lokalnej kantyny. 

– Daje to możliwość ciekawej wymiany poglądów i idei w odniesieniu do różnych inżynierskich i naukowych zagadnień. Dużym zaskoczeniem był dla mnie również fakt, że pracownicy mogą w każdej chwili wejść do budynku, gdzie testowany jest łazik kosmiczny powstający w ramach misji Mars 2020. To doskonała recepta na chwile słabszej motywacji: 20 metrów ode mnie jest pojazd, który za chwilę będzie jeździł po innej planecie – podkreśla.

W natłoku obowiązków można jednak znaleźć również czas na pasje około naukowe. – W wolnych chwilach lubię odkrywać piękno amerykańskiej przyrody. W Kalifornii i sąsiednich stanach jest mnóstwo parków narodowych, które oferują widoki znane nam głównie z programów podróżniczych. Tak duża różnorodność geograficzna – od oceanu, przez pustynię aż po wysokie pasmo górskie Sierra Nevada – zachęca do weekendowych wypraw poza miasto i bliższego kontaktu z naturą – mówi dr Łukasz Sterczewski.

Czy warto wyjechać?

Czy wobec tego chciałby zostać w USA na stałe? – Stany Zjednoczone to kraj ogromnych możliwości, które po dłuższym pobycie na pewno się jeszcze bardziej otwierają. Mimo to, dalej jestem w kontakcie z Politechniką Wrocławską i szukam możliwości kontynuowania mojej pracy naukowej w rodzinnym mieście – przyznaje.

A jakiej rady udzieliłby studentom i młodym naukowcom, którzy chcieliby wyjechać na staż zagraniczny, ale z różnych względów ciągle się wahają? – Wątpliwości są jak najbardziej naturalne. Moja rada to spróbować wyjechać najpierw na krótszy czas – kilka miesięcy do roku. Staże zagraniczne poszerzają horyzonty, ubogacają portfolio zawodowe i pomagają zdobyć cenne kontakty. Parafrazując słowa Einsteina, nie możemy spodziewać się innych rezultatów robiąc wciąż to samo. Wyjazd zawsze coś w nas zmienia i często pomaga odkryć nowe zainteresowania zawodowe albo naukowe, które mogą zaowocować lepszą pracą – podkreśla dr Łukasz Sterczewski.

Michał Ciepielski