Láseres iluminando as fronteiras do coñecemento
2019/09/01 Etxebeste Aduriz, Egoitz - Elhuyar Zientzia Iturria: Elhuyar aldizkaria
Respecto dos ultrarrápidos láser de alta intensidade, o Premio Nobel Gerard Mourou afirma que neste momento as aplicacións deste tipo de láser son máis numerosas que as que existen, aínda que recoñece que moitas destas aplicacións aínda deben ser probadas. Estas declaracións realizounas o pasado mes de maio en Salamanca, un dos centros de láser máis importantes paira demostrar algunhas destas posibles aplicacións: Centro CLPU (Centro de Laseres Pulsados).
Donna Strickland e Mourou revolucionaron o mundo dos láseres a mediados da década dos 80 cando inventaron a forma de aumentar a intensidade dos láseres. Nesta época parecía alcanzar o límite de intensidade que podían ter os láseres, xa que si tentaban aumentar a intensidade destruíase o material amplificador. Con todo, Strickland e Mourou idearon una nova técnica que superaba este problema: Técnica CPA (Chirped Pulse Amplification): a partir dun pulso moi curto, estirouse o pulso, se amplificó despois e finalmente, comprimido, demostrouse que podía aumentar moito a intensidade. O ano pasado recibiu o Premio Nobel de Física por este traballo.
Desde a súa invención converteuse nunha técnica básica paira a fabricación de láseres de intensidade crecente. O centro CLPU de Salamanca acolleu o pasado ano o terceiro láser máis potente do centro: VEIGA-3. Neste tipo de láser atópase entre o dez máis intensas do mundo. Ten una potencia dun petawatt, 1.000.000.000.000.000 ou 1015 watts, unhas 25.000 veces máis que a potencia eléctrica de toda España.
Pulsos ultravioleta
Con todo, non require moita enerxía paira conseguilo, xa que os pulsos do láser son moi curtos, de 30 femtosegundos. Un femtosegundo é de 10 a 15 segundos, é dicir, 0,00000000001 segundos. Un femtosegundo ten nun segundo a mesma proporción que un segundo na idade do universo. Aí está a clave paira conseguir este tipo de potencias. “A característica máis importante destes láseres é o seu carácter pulsátil, segundo Jon Apiñaniz, investigador do CLPU de Aginako, é dicir, os láseres convencionais xeran un fluxo continuo de luz e, neste caso, lánzanse unhas balas de luz concentrando una gran cantidade de luz nun tempo moi curto, obtendo potencias enormes”.
Estas balas de luz son bolitas microscópicas de luz de tanta enerxía que colocan a materia en contacto en estado de plasma. “No estado de plasma o comportamento da materia é moi diferente. Nós utilizamos o láser paira investigar isto, trasladamos a materia a niveis de enerxía moi altos, similares aos dunha central nuclear ou aos dos núcleos das estrelas”, explica Apiñaniz. Estes láseres serven principalmente paira realizar estudos de física nuclear, astrofísica de laboratorio e física básica en xeral.
Os recursos de CLPU están a disposición de investigadores de todo o mundo. As solicitudes que reciben, así como as dos seus investigadores, son analizadas por un comité externo. E esa comisión decide como distribuír os recursos. Non faltan solicitudes. E é que o láser VEIGA-3, ademais de potencia, ten outra característica moi atractiva paira os investigadores: a rapidez. Pode disparar un pulso por segundo. Nos láseres desta potencia só hai outros dous no mundo que poden facelo. “Isto é moi importante —explica Apiñaniz—, os experimentos son complexos e hai una gran variabilidade de disparos a tiro, polo que é necesario acumular datos para que sexan estatisticamente válidos. En moitos láseres pode ser necesaria una hora ou una hora de espera entre disparos, paira arrefriar os condensadores, recargar, etc., o que dificulta a acumulación de datos”.
Reto tecnolóxico e científico
Construír e manter un láser capaz de lanzar balas de luz cada segundo de 30 femtosegundos e un petawatt non é tarefa fácil. “É un verdadeiro reto tecnolóxico e científico”, afirma Apiñaniz. “A pureza dos cristais debe ser moi precisa; deben manterse a unha temperatura moi determinada; o láser, una vez amplificado, non pode pasar polas lentes porque as destruirían, polo que as lentes deben ser substituídas por espellos de varios tipos (esféricos, parabólicos…); o láser debe viaxar ao baleiro, porque pola contra o aire tamén ionizaría e convertería en plasma…”.
E poder medir o que ocorre nos experimentos que se realizan con láser é outro reto. “Esa é una das súas grandes claves. Non é fácil medir as características temporais do pulso. Aquí non serve coa instalación de sensores de luz. A electrónica non funciona a esas velocidades. Hai que utilizar métodos ópticos”, explica Apiñaniz. “E paira saber o que sucede na realización do experimento debemos desenvolver técnicas diagnósticas o suficientemente rápidas como para que sexa posible. Esta é o labor da nosa unidade científica. Utilizamos diferentes métodos. Por exemplo, desviamos una pequena parte do láser paira facer un camiño máis longo e chegar uns femtosegundos máis tarde, sacando así una foto do experimento uns femtosegundos máis tarde. Ademais, utilizamos cámaras de raios X; espectrómetros de partículas paira saber que partículas formáronse e que enerxía teñen, etc.”
“Paira sacar una foto da natureza nestas escalas necesitas interaccións máis rápidas que a que dura o que queres estudar”, explica Apiñaniz. “Os fenómenos astrofísicos, como os procesos que se producen nos núcleos das estrelas, ou as excitacións dos núcleos dos átomos, ou dos electróns, os cambios nos estados cuánticos da materia, etc., prodúcense en escalas de femtosegundos ou attosegundos, como máximo en nanosegundos”.
Fusión en destino
Entre os temas que se están investigando con láseres de CLPU e similares, Apiñaniz destaca un por encima de todos: “O obxectivo último deste tipo de láseres máis potentes é investigar a fusión nuclear”. É un proceso anti-fisión en centrais nucleares, a fusión. En lugar de romper un átomo pesado e inestable, trátase de fusionar dous átomos lixeiros, da mesma maneira que nas estrelas fórmase un átomo de helio con dous átomos de hidróxeno. Isto daría una enerxía enorme, sen xerar residuos radioactivos.
É un soño ancestral, pero fusionar átomos lixeiros é algo moi difícil. Conseguir presións ou temperaturas extremas. A estratexia é aumentar a temperatura mediante confinamento magnético en reactores como ITER. Con Laser, o obxectivo sería alcanzar presións extremas. A un combustible sólido lanzaríanselle pulsos láser por todas partes á vez, cuxa presión provocaría una enorme compresión do combustible e una fusión. “Esa sería a última aplicación que todos temos en mente, aínda que aínda está moi lonxe”, recoñece Apiñaniz.
Aplicacións máis próximas
Con todo, existen aplicacións que poderían estar moito máis cerca. “A achega deste tipo de enerxía á materia implica procesos de física nuclear como a aceleración de partículas”, explica Apiñaniz. “Por exemplo, os protones aceléranse como en aceleradores como o lhc, pero con menos enerxía e en instalacións moito máis pequenas. Isto pode ser útil en medicamento nuclear ou na proto-terapia”.
Actualmente, en medicamento, utilízanse aceleradores de partículas paira obter os isótopos radioactivos necesarios paira a realización de tomografías de emisión de positrones (PET). Son instalacións grandes e escasas. “Podemos optimizar estes láseres paira crear estes isótopos en instalacións moito máis pequenas e útiles”, explica Apiñaniz. “E así se podería facer en calquera hospital”.
Apiñaniz veo bastante cerca. E da prototerapia, que pode custar algo máis, cre que se pode conseguir nun futuro próximo. A radioterapia é una técnica na que os raios X convencionais substitúense por protones. A irradiación dun tumor con raios X tamén afecta gravemente aos tecidos circundantes. Nos casos nos que o tumor está profundo, leste pode ser un problema grave, xa que afecta moito ao que hai antes e despois do tumor. Os protones, pola súa banda, poden actuar exactamente á profundidade desexada. Paira iso, con todo, “son necesarios moitos protones e un certo nivel de enerxía, que actualmente só se pode conseguir con grandes aceleradores de protones”, explica Apiñaniz. “Con todo, a través de Láseres poderiamos conseguilo en instalacións moito máis pequenas, e entón estaría ao alcance de moita máis xente, xa que hoxe en día é moi pouco posible”.
Mourou, na rolda de prensa que ofreceu en Salamanca, anunciou que se podía conseguir nun prazo duns cinco anos. O premio Nobel tamén destacou outra aplicación que é obxecto de estudo nos últimos anos: o tratamento de residuos nucleares. “A enerxía nuclear podería ser una excelente fonte de enerxía, pero temos que solucionar o problema dos residuos nucleares”, sinalou Mourou. “Con estes láseres de alta intensidade podemos producir partículas de gran enerxía, coas que se pode producir a transmutación dos residuos nucleares, de forma que a radioactividade destes residuos pase de ser de millóns de anos a ser só duns anos, ou duns días. O láser de aquí [do CLPU] serve paira demostralo, pero paira poder aplicalo realmente sería necesario dispor de láseres máis eficientes que aínda non existen”, engadiu.
Proxecto xigante europeo
Mentres tanto, aínda que se está atrasando por algúns problemas administrativos e políticos, o proxecto europeo xigante Extreme Lixeiro Infrastructure (ELI) está a piques de estar en marcha. Tres centros constituirán a CDR. Na República Checa, no centro ELI-Beam, utilizarán os pulsos de catro láseres como fonte de raios X, electróns e protones. Os pulsos serán femtosegundos e o máis forte dos catro láseres tomará 10 PW. En Hungría, ELI-Attosecond contará con cinco láseres que producirán pulsos aínda máis breves (da escala dos attosegundos). E por último, en Rumania, ELI-Nuclear Physics contará con dúas fontes de raios láser e gamma de 10 PW.
Cando se poña en marcha, a ELI creará condicións físicas nunca vistas. E os científicos están interesados no que vai pasar ao lanzar fortes pulsos láser. “A verdade é que eu tampouco se que podemos esperar. Estamos nos límites do coñecemento, tamén nos límites da técnica”, explica Apiñaniz.
Gai honi buruzko eduki gehiago
Elhuyarrek garatutako teknologia