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Brillo mayor

Laboratorio finaliza el proyecto de un nuevo anillo destinado a la producción de luz sincrotrón

GUSTAVO TÍLIO / LNLSEl mayor instrumento de investigación científica y tecnológica del país sumará una versión mayor y más potente en 2015. El proyecto de una nueva fuente de luz con soluciones innovadoras en su construcción se encuentra casi concluido. Es un trabajo de investigadores del Laboratorio Nacional de Luz Sincrotrón (LNLS), con sede en Campinas, interior paulista. Abierto a investigadores de instituciones académicas y de empresas, brasileños o extranjeros, con estudios o proyectos tecnológicos que contemplen la necesidad de develar, mediante el uso de la radiación sincrotrón, la estructura atómica de materiales tales como polímeros, rocas y metales, además de proteínas, moléculas para medicamentos y cosméticos e incluso imágenes tridimensionales de fósiles, o hasta de células. Esta radiación es generada por electrones que se producen en un acelerador y se insertan dentro de un anillo metálico de93 metros(m) de circunferencia – el nuevo tendrá 460m de circunferencia – en un ambiente de ultra alto vacío. Los mismos permanecen circulando casi a la velocidad de la luz, y cuando pasan por imanes a lo largo del anillo, sufren una deflexión provocada por el campo magnético. Como consecuencia de esta alteración, se emiten fotones que resultan en la llamada luz sincrotrón. Son ondas electromagnéticas tales como las frecuencias de rayos X, ultravioleta y hasta de luz visible – esta última es poco usada en experimentos científicos – que los investigadores las aprovechan en el LNLS en 14 estaciones de trabajo o en líneas de luz dispersas en diversos puntos del anillo.

La nueva fuente recibió el nombre de Sirius – elegido entre las sugerencias del personal – en referencia a la estrella más brillante en el cielo nocturno. La construcción de este instrumento es importante, pues el actual está quedando obsoleto. El Sincrotrón brasileño cumple 13 años de servicio en 2010, y las exigencias científicas y tecnológicas indican la necesidad de un equipamiento más actualizado. “La evolución es necesaria, pues la ciencia en el fondo es competencia. Las preguntas importantes y relevantes, en estas áreas atendidas por el Sincrotrón, son siempre nuevas, porque en parte las antiguas ya han sido respondidas. Por eso las nuevas requieren equipos más sofisticados”, dice el físico Antônio José Roque da Silva, director del LNLS desde julio de 2009 y docente del Instituto de Física de la Universidad de São Paulo (USP). Una de las ventajas de un laboratorio como el Sincrotrón es el carácter interdisciplinario con investigadores de las áreas de biología, ciencias de los materiales, tecnología, energía y paleontología. “Con el LNLS, el país puede competir en diversas áreas y utilizar el mismo laboratorio simultáneamente a lo largo de todo el año para hacer sus experimentos.”

El proyecto del nuevo Sincrotrón está siendo totalmente diseñado en Brasil para ser un laboratorio de tercera generación. El actual es de segunda generación. Actualmente existen unas 50 fuentes de luz sincrotrón en el mundo, 16 de las cuales son de tercera generación y entraron en funcionamiento a partir de 1994. Se caracterizan por poseer una radiación más brillante, con mayor cantidad de luz generada y baja emitancia, la unidad empleada para determinar el tamaño y la divergencia (dispersión) del foco de la fuente de luz. “Cuanto menor es la emitancia, mayor es la posibilidad de focalización del haz producido”, explica el ingeniero civil y físico Ricardo Rodrigues, director técnico del proyecto de la nueva fuente, que participó en la construcción de la primera, inaugurada en 1997. La Sirius está proyectándose para que tenga 1,7 nm.rad, mientras que la actual posee 100 nm.rad. Esto implica un mayor brillo en un haz de radiación menor y con un ángulo de apertura también menor. Será una de las fuentes más brillantes del mundo. El Synchrotron Soleil, por ejemplo, construido en la ciudad de Saint-Aubin, Francia, inaugurado en 2006, tiene una emitancia de 3,7 nm.rad, y el Diamond, ubicado en Oxfordshire, Inglaterra, que empezó a funcionar en 2007, posee una de 2,7 nm.rad.

“De las 50 fuentes de radiación sincrotrón existentes en el mundo, solamente 30 son abiertas a investigadores de fuera de la institución a la que pertenece el laboratorio. Son 11 en Europa, 7 en Estados Unidos, 10 en Asia, 1 en Australia y 1 en Sudamérica, que es el LNLS. Si no se construye la segunda fuente, Brasil y América del Sur desaparecerán del mapa de la radiación sincrotrón a nivel mundial’’, dice el físico francés Yves Petroff, director científico del LNLS desde diciembre de 2009 y responsable de los objetivos científicos del proyecto de la nueva fuente. De los 1.656 usuarios del LNLS en 2009, un 20% correspondía a países latinoamericanos, y de ese total, el 14% eran  argentinos. De esos estudios resultaron unos 250 artículos publicados en revistas científicas.

EDUARDO CESAR“Países menores como España, Corea del Sur y Taiwán están construyendo fuentes de tercera generación”, dice Petroff, quien, a los 73 años, tiene una larga trayectoria en laboratorios sincrotrones a nivel mundial. Fue director general del European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) de Grenoble, Francia, entre 1993 y 2001, además de haber trabajado en laboratorios similares en Estados Unidos. También asumió la dirección científica del Laboratorio para la Utilización de la Radiación Electromagnética (Lure, sigla en francés) y del Centro Nacional de Investigación Científica (CNRS, sigla en francés). Toma parte en varios comités científicos de sincrotrones, incluso el del LNLS, desde la fase de implantación en 1988. “Resulta interesante acotar que la cantidad de usuarios del Departamento de Energía en cuatro sincrotrones de Estados Unidos creció un 40%, de 6 mil a 8.400, entre 2000 y 2008, en tanto que los usuarios del francés ESRF crecieron un 36% entre 2003 y2009”, dice. “Gran parte de este crecimiento se debe al uso de esa radiación en estudios de estructuras biológicas. Todas las compañías farmacéuticas, por ejemplo, utilizan las líneas de luz a tal fin”. Petroff recuerda también que, recientemente, la explotación de específicas propiedades de los rayos X producidos por las máquinas sincrotrón ha permitido obtener imágenes tridimensionales de cualquier objeto con una resolución menor a un micrón (la milésima parte de un milímetro) como en estudios de paleontología, arqueología y medio ambiente. “Lo invité Yves Petroff para que juntos reestructuremos la división científica del LNLS y para que ayudase en la formulación de los objetivos de la ciencia que se pretende hacer con  la nueva fuente y con las nuevas líneas de luz que están volviéndose cada vez más sofisticadas”, dice Roque.

Imanes permanentes
Además de encuadrarse en las especificaciones requeridas para una fuente de luz sincrotrón de tercera generación, el proyecto contempla una importante reducción del consumo de electricidad. A tal fin, se están probando nuevas soluciones dentro del LNLS, con el empleo de tecnologías innovadoras. La primera es la adopción de imanes permanentes, una novedad mundial para este tipo de laboratorio. Estos imanes se utilizarán en la construcción de los dipolos, responsables de la producción del campo magnético que sirve para desviar la trayectoria de los electrones en el interior del anillo. Así se forman los fotones llamados luz sincrotrón, captada y filtrada, entre las diversas ondas electromagnéticas presentes en el haz en las líneas de luz. Estos dipolos funcionan actualmente mediante electroimanes, que están formados por metales envueltos en alambres que, cuando reciben corriente eléctrica, se transforman en imanes. Éstos requieren de una serie de instrumentos acoplados, tales como el sistema de refrigeración y las bobinas, que requieren mucha electricidad. “Los imanes permanentes son similares a los imanes de las heladeras”, compara Rodrigues. No requieren energía eléctrica para funcionar y se venden comercialmente en todo el mundo. Se hace de ferrita, un material barato, y de aleaciones con neodimio, hierro y boro. Por ahora existe únicamente una máquina en el mundo, un acumulador de antiprotones, en el Fermilab, en Estados Unidos, que funciona con  imanes permanentes. “Nadie ha tenido el coraje aún de hacer eso en sincrotrones, aunque el conocimiento de estos materiales ha avanzado bastante”, dice Rodrigues. La reducción del consumo de energía pesa mucho en dicha decisión. Con los imanes permanentes, se espera un ahorro de 6,5 gigavatios hora (GWh) por año, alrededor de 4,5 millones de reales anuales.

Otra innovación desarrollada en el Sincrotrón, en colaboración con el laboratorio francés Soleil, servirá tanto para la nueva fuente como para la actual. Es un sistema de radiofrecuencia (RF) radicalmente distinto, que ahorrará más de un millón de reales en energía eléctrica anualmente. La cuenta de luz actual del laboratorio es de alrededor de 3,5 millones de reales anuales. El sistema RF es el responsable de reponer la energía perdida por los electrones en la forma de luz sincrotrón. Si bien cuentan con lo más avanzado en tecnologías, la casi totalidad de estos laboratorios en el mundo funciona con  una válvula electrónica de casi un metro de longitud que cuesta 150 mil dólares la unidad. Las válvulas eran muy usadas en aparatos electrónicos antes de la aparición comercial de los transistores de potencia. En el caso de los sincrotrones, se fabrican especialmente en Inglaterra para suministrar la alta energía empleada para amplificar la frecuencia de 476 megahertz (MHz). Esa onda electromagnética, en lugar de expandirse en el espacio, como en una estación de radio, por ejemplo, es aprisionada dentro de cámaras llamadas cavidades resonantes a lo largo del anillo. La fuente actual utiliza dos de esos generadores de RF de 30 kilovatios (kW) cada uno. “Hasta ahora la única manera de juntar altas potencias y altas frecuencias era con esa válvula”, dice el técnico electrónico Claudio Pardine, coordinador del Laboratorio de radiofrecuencia del LNLS.

Pardine, en colaboración con los franceses del Soleil, desarrolló el nuevo sistema, llamado amplificador de estado sólido, compuesto por centenas de pequeñas cajas electrónicas con una potencia de 250 vatios. “En 2001, el LNLS fue el primer laboratorio del mundo que reemplazó la válvula por el amplificador de estado sólido en un sistema de un kW para un inyector de luz sincrotrón”, dice Pardine. Las ventajas son innumerables, pero la mayor es efectivamente el ahorro de energía eléctrica. “Para suplir los 30 kW, el sistema tradicional con válvula demanda una potencia de 170 kW. El nuevo, en estado sólido, necesita 60 kW”. Actualmente, el sistema de RF utiliza casi 1,8 gigavatios-hora (GWh) anuales, lo que representa un gasto con electricidad referente al equipamiento de RF de 1,3 millones de reales al año. Con la implantación del nuevo sistema, la economía será de un 50%, y eso sin contar con el ahorro al no tener que cambiar la válvula cada cinco años. “Dejamos de ser rehenes del fabricante. El mantenimiento se vuelve más fácil y barato.”

WILLIAM BARBOSA / LNLSEl francés Soleil fue el primero en instalar un amplificador de estado sólido de varias decenas de kilovatios. “Nosotros les construimos algunos componentes de esos amplificadores en el LNLS, en2005”, recuerda Pardine. “Les vendimos a precio de costo las piezas destinadas a los prototipos que desarrollamos conjuntamente”. Pardine tiene como maestro al investigador chino Ti Ruan, quien actualmente trabaja en el Soleil y era docente de la Universidad de París. Ruan convenció a los directores del laboratorio francés, durante la construcción, a utilizar el amplificador de estado sólido. Otro gran laboratorio, el Diamond, de Inglaterra, inaugurado en 2007, optó por la válvula. Pardine hace hincapié en que la idea de usar los amplificadores de estado sólido es antigua, pero recién ahora se ha vuelto posible debido a la evolución de los materiales y equipamientos electrónicos. Para desarrollar y construir las nuevas torres de RF, obtuvo un financiamiento de la Financiadora de Estudios y Proyectos (Finep), en el marco de un programa para equipamientos de energía eléctrica, por valor de un millón de reales.

Suelo firme
Para funcionar de manera ejemplar, la Sirius requerirá una superestabilidad del gran anillo de almacenamiento, para que los electrones no se desvíen más de una milésima parte de un milímetro (un micrón) de la órbita proyectada. La misma superestabilidad vale también para las líneas de luz. Cualquier variación o dilatación de los metales puede perturbar al haz de electrones. El aparato de aire acondicionado, por ejemplo, al variar la temperatura en medio grado, dilata el soporte de hormigón y acero del anillo en micrones, una condición indeseable para los electrones. “Existen pequeñas variaciones del suelo, que son imperceptibles en condiciones normales, pero cuando se trabaja en medidas de micrones, se vuelven sumamente importantes”, dice Ricardo Rodrigues. El proyecto prevé un superpiso enrigidecido que tendrá200 metros de diámetro y1 metro de espesor, sin uniones. “Nadie ha fabricado un piso así en Brasil. Son 20 mil metros cúbicos de concreto que deben producirse en una semana, durante 24 horas por día. Las capas se van poniendo una sobre la otra y la cura (el secado) del material no puede ser rápida”. Son capas húmedas que no pueden curarse mientras que no se le agreguen otras, y por eso recibirán hielo a lo largo del proceso. Se deberá montar una logística especial, con la instalación de una fábrica de concreto y otra de hielo junto a la construcción de la nueva fuente.

El presupuesto inicial previsto para la Sirius es de aproximadamente 400 millones de reales distribuidos a lo largo de seis años. Dinero que será solventado en forma independiente por el Ministerio de Ciencia y Tecnología (MCT) o en asociación con otras instituciones federales. El MCT posee un contrato de gestión con la Asociación Brasileña de Tecnología de Luz Sincrotrón (ABTLuS), una organización social que mantiene al Sincrotrón y otros dos otros laboratorios en el mismo campus del LNLS, el Laboratorio Nacional de Biociencias (LNBio), un ex centro del Sincrotrón que adquirió autonomía, y el Laboratorio Nacional de Ciencia y Tecnología del Bioetanol (CTBE), que también se valen de la radiación sincrotrón en algunos de sus experimentos. Los tres están bajo la coordinación del Centro Nacional de Investigaciones en Energía y Materiales (CNPEM), que en junio pasa a ser comandado por el profesor Walter Colli, ex profesor del Instituto de Química de la Universidad de São Paulo (USP).

Para encabezar el proyecto, el LNLS cuenta con un equipo experimentado, que ya sabe cómo se construye un sincrotrón. Ricardo Rodrigues fue uno de los tres primeros investigadores contratados en agosto de 1986 por el Consejo Nacional de Desarrollo Científico y Tecnológico (CNPq), que en la época era el gestor del LNLS, para construir el laboratorio. “Eran Cylon Gonçalves da Silva como director, Aldo Craievich, quien se encargaba del uso del laboratorio por parte de los investigadores, y yo, para encargarme del proyecto y la construcción, que tardó 10 años”, recuerda Rodrigues. Para él, no fueron solamente los constantes recortes de fondos los que atrasaron el proyecto. “No voy a echarle la culpa de todo a los recortes en el presupuesto. La adquisición de la experiencia y el conocimiento fue lenta. Creo que empleamos el mejor método para aprender algo. Al personal contratado, un ingeniero o un físico que acababa de salir de la universidad, a cada uno, se les transmitía el siguiente mensaje: ‘Tú vas a tener que hacer eso. Vamos a ayudarte en lo que podamos, vamos a trabajar juntos’. Nadie fue a hacer un doctorado o un curso especial. Nosotros los mandábamos a hacer viajes, iban a visitar otros laboratorios y preguntaban: ‘¿Cómo lo hacen ustedes?’”, dice Rodrigues.

La física Liu Lin fue una de esas profesionales que formaron parte del equipo inicial. “En 1985, cuando yo estaba haciendo mi maestría en el Instituto de Física de la USP de São Carlos, trabajé en el proyecto de la red magnética del anillo e hice simulaciones de la dinámica del haz de electrones. Después estuve en el equipo que permaneció durante tres meses en el Stanford Linear Accelerator Center (Slac), de la Universidad de Stanford, California, Estados Unidos”, dice Liu. “Aprendimos mucho, porque allá ellos fabrican los instrumentos, y nosotros tuvimos la oportunidad de proyectar una máquina ficticia que nos hizo conocer la física de los aceleradores”, dice Rodrigues. Ese mismo propósito de construir instrumentos y sistemas que fue la base de la construcción del primer anillo sigue vigente para el próximo. “Nosotros proyectamos y compramos una serie de cosas, pero en términos económicos, solamente un 16% de la primera máquina se importó.”

Actual líder del Grupo de Física de Aceleradores del LNLS, Liu estudia la dinámica de los electrones bajo la acción del campo electromagnético. “Proyectamos esos campos para asegurar que un haz intenso de electrones de alta energía pueda permanecer almacenado de manera estable produciendo luz sincrotrón durante varias horas. Para lograrlo, tuvimos que especificar, entre otras cosas, una red magnética que definirá todas las propiedades del haz de luz sincrotrón producido”, dice Liu. Para Rodrigues, el proyecto ya está casi concluido y la perspectiva indica que la construcción demorará la mitad del tiempo de la primera máquina. “Ahora no es urgente formar personal, pues el núcleo de personas que coordinan el proyecto aún es joven.”

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