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Científicos de la Universidad de Michigan poniendo a prueba el láser ZEUS Universidad de Michigan Omicrono
La tecnología láser cuenta con un potencial inmenso en las áreas más diversas. Mientras los fabricantes de armamento buscan equipar tanques, aviones y buques de guerra con cañones láser capaces de derretir el acero como si fuera mantequilla, científicos e ingenieros de todo el mundo, también en España, trabajan en lograr láseres cada vez más potentes y rápidos, en una carrera similar a la espacial o la de la computación cuántica.
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Las principales potencias tecnológicas buscan batir récords de intensidad en trillonésimas de segundo y con ello abrir nuevas puertas en campos tan diferentes como la ciencia de materiales, el tratamiento de los residuos nucleares o las terapias contra el cáncer. España cuenta desde 2018 con VEGA, un láser de un petavatio o PW (3.000 veces más potente que la red eléctrica española en su conjunto), instalado en el Centro de Láseres Pulsados (CLPU) de Salamanca.
EEUU construyó el primer láser de petavatio del mundo hace un cuarto de siglo, pero no ha seguido el ritmo de los sistemas más ambiciosos construidos durante este tiempo en Europa y Asia, con China a la cabeza. Para reducir esa distancia, la semana pasada empezó a operar ZEUS, un láser con potencia de 3 petavatios que ha enviado sus primeros pulsos de luz en la Universidad de Michigan. Aunque la potencia no lo es todo, ya que la velocidad de los pulsos de luz también es crucial, China está trabajando ya en un láser capaz de llegar a los 100 petavatios.
La amplificación de pulsos con deriva de frecuencia o Chirped Pulse Amplification (CPA, por sus siglas en inglés) procede de una técnica inventada por los físicos Gerard Mourou y Dona Strickland a mediados de la década de los 80, que les valió el Premio Nobel de Física en 2018.
Más allá de la complejidad de esta tecnología en desarrollo, basada en pulsos ultrarrápidos de láser de una potencia descomunal , lo que resulta más interesante es para qué sirven. Y ahí el campo es inmenso, desde nuevos métodos biomédicos hasta el desarrollo de las comunicaciones ópticas. Para conocer más sobre estos posibles usos, en EL ESPAÑOL - Omicrono hablamos con Luis Roso, catedrático de Física de la Universidad de Salamanca y promotor científico del CPLU.
VEGA, el sistema de láser de alta intensidad del Centro de Láseres Pulsados de Salamanca (CLPU)
"Las aplicaciones son extraordinariamente variadas, y muchas de ellas son insospechadas, como el pararrayos láser", admite Roso, en referencia a un sistema que, a diferencia del pararrayos convencional, desvía los rayos hacia el cielo. La aplicación más extendida son los aceleradores láser, una versión más compacta de los aceleradores de partículas actuales, como el que alberga el CERN o los que, en versión reducida, se utilizan en sistemas de radioterapia en hospitales.
Otra puerta abierta gracias a los láseres CPA pasa por sustituir los actuales reactores nucleares por una nueva fuente de energía limpia, segura y confiable . "La energía nuclear se suele ver como algo muy contaminante y, sin embargo, hay posibilidades de fusión nuclear muy poco contaminantes, como las reacciones sin neutrones", afirma Roso.
Instalaciones del Centro de Láseres Pulsados de Salamanca CLPU / Enrique García Omicrono
Es el caso de iniciativas como la de la empresa australiana HB11 Energy, que propone utilizar tecnología láser para fusionar hidrógeno y boro-11 para obtener energía limpia e ilimitada. Su proceso de generación de energía no requiere de grandes plantas con turbinas de vapor ni genera residuos radiactivos peligrosos. Tampoco existe riesgo de fusión del reactor y la energía generada se puede dirigir directamente a la red de forma sencilla y segura.
En el caso del CLPU de Salamanca, los científicos que hacen uso de sus instalaciones investigan en campos tan distintos como el análisis de obras de arte mediante haces de partículas aceleradas por láser o estudios para radiografiar bloques de hormigón mediante neutrones pulsados.
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También hay desarrollos capaces de influir en nuestro día a día, como las nuevas terapias revolucionarias para el tratamiento del cáncer, más precisas y menos dañinas para el organismo que las actuales. "Nuestro objetivo a medio plazo es un acelerador láser para protonterapia o hadronterapia. Ya sabemos cómo acelerar los protones, que es la clave, pero necesitamos más. Y ese más es un desarrollo de ingeniería que necesita recursos que no siempre se consiguen", se lamenta Roso.
Así, España puede lucir con orgullo las capacidades de VEGA, que cuenta con opciones para ser una alternativa líder en el futuro. "Si todos trabajamos bien, científicos, gobiernos y sociedad, podemos abrir una ventana para tener el láser más potente del mundo en España, aprovechando el tirón internacional del láser de petavatio del CLPU".
Entre los sistemas más punteros de CPA, el más reciente en ponerse en marcha ha sido ZEUS, el láser con mayor pico de potencia de EEUU. Sus objetivos son ofrecer a los investigadores un nuevo nivel de conocimiento reproduciendo a escala de laboratorio fenómenos de la física cuántica, pero también favorecer avances en campos como la medicina, la electrónica o la seguridad.
ZEUS, aparte del omnipotente "padre de los dioses y los hombres" en la mitología griega, son las siglas que corresponden a Zetawatt-Equivalent Ultrashort pulse láser System o sistema de láser de pulso ultracorto equivalente a zetavatio, en su traducción al español.
El láser ZEUS de la Universidad de Michigan
Hasta su puesta en servicio definitiva en otoño de 2023, los investigadores responsables de ZEUS realizarán distintos experimentos aumentando gradualmente su potencia. Las primeras pruebas llegarán a los 30 teravatios (el 1% de la capacidad máxima del sistema), enviando pulsos de láser infrarrojo a un objetivo de gas de helio, convirtiéndolo en plasma.
Ese estado de la materia, que se caracteriza por su alta energía e inestabilidad, acelera los electrones hasta que se mueven para producir pulsos de rayos X muy compactos. En última instancia, el experimento debería servir, entre otras cosas, para desarrollar máquinas de rayos X más potentes y que no produzcan tanta radiación como las actuales, abriendo nuevas posibilidades a diagnósticos y aplicaciones médicas.
Científicos poniendo a prueba HERCULES, el láser predecesor de ZEUS Joseph Xu / Universidad de Michigan Omicrono
Aún así, el objetivo final va más allá de los 3 PW iniciales. Y es que, pese a que ZEUS no cuenta con la misma capacidad que sus contemporáneos en China o Europa, su construcción simulará un láser de un zetavatio (ZW), aproximadamente un millón de veces más potente que su pico 'real'.
No será el único: si la administración del presidente Biden inyecta nuevos fondos para I+D: la Universidad de Rochester, en Nueva York, está desarrollando planes para un láser de 75 PW, el Optical Parametric Amplifier Line (OPAL), que aprovecharía los avances del OMEGA-EP, otro de los láseres más potentes del país.
Al igual que en otros campos tecnológicos, China ha invertido miles de millones de yuanes en ser el líder en el terreno de los láseres CPA. Para eso se construyó el Shanghai Superintense Ultrafast Laser Facility (SULF), que alberga un cilindro de zafiro y titanio del tamaño de un frisbee.
Tras encender la luz en el cristal y hacerla pasar por un sistema de lentes y espejos, el SULF la convierte en pulsos ultrarrápidos de alta intensidad. En 2016, alcanzó una cifra récord por entonces de 5,3 petavatios, ampliada hasta los 10 petavatios solo un año después, el máximo conseguido hasta la fecha y el equivalente a más de mil veces la potencia de todas las redes eléctricas del mundo combinadas.
Instalaciones del SULF, el láser más avanzado del mundo Zhao Kan / Ti Gong Omicrono
Pero las autoridades y los científicos chinos no se conforman con eso, sino que aspiran a lograr un láser de 100 petavatios, una potencia capaz de "rasgar el vacío" y separar la materia de la antimateria. Lo harán con la Estación de Luz Extrema (SEL), que en 2023 podría lanzar pulsos en una cámara a 20 metros bajo tierra, sometiendo a los objetivos a temperaturas y presiones extremas que no se encuentran normalmente en la Tierra.
Es algo inaudito, que podría suponer un avance sin precedentes para los astrofísicos y los especialistas en ciencia de materiales, además de ofrecer una nueva forma de acelerar partículas para su uso en aplicaciones médicas y física de alta energía.
El coste en infraestructuras y desarrollo tecnológico para poder competir con China, Rusia o EEUU son muy difíciles de asumir para los países europeos por separado, por lo que proyectos financiados por la Unión Europea en su conjunto son los que pueden llegar más lejos.
La iniciativa ELI, siglas en inglés de Extreme Light Infrastructure, puesta en marcha a mediados de la década de los 2000, se está llevando a cabo en la República Checa, Hungría y Rumanía para proporcionar a los científicos europeos algunos de los láseres más potentes del planeta. Es un proyecto con un coste estimado de 950 millones de euros que, por el camino, se está encontrando diversos problemas, y no solo técnicos. Sospechas de corrupción en la compra de un emisor de rayos gamma han dejado a Rumanía fuera de nuevas inversiones por parte de la UE y ha provocado la retirada de Francia y Reino Unido del consorcio.
Investigadores poniendo a prueba ELI, el proyecto europeo de láser de alta potencia ELI-ERIC Omicrono
Pese a todo, el proyecto está muy avanzado. Propuesto por primera vez por Gérard Mourou, ya cuenta con instalaciones como ELI-Beamlines, cerca de Praga, donde se realizarán experimentos con láseres de hasta 10 PW.
En Hungría, la Fuente de Pulsos de Luz de Attosegundos del ELI (ELI-ALPS) 'cortará' los láseres en pulsos cortos para explorar cómo se mueven los electrones en los átomos y las moléculas. Y el ELI Nuclear Physics (ELI-NP), situado en las afueras de Bucarest, está destinado a generar intensos haces de rayos gamma que, combinados con la luz de dos láseres de 10 petavatios, explorarán los núcleos atómicos y el vacío cuántico.
La competencia por conseguir los láseres de mayor potencia está muy reñida y varios países están proyectando grandes infraestructuras para lograr avances nunca vistos en esta tecnología. La última gran noticia en ese sentido llegó desde Corea del Sur, que puso a prueba el láser de CoReLS (Center for Relativistic Laser Science, por sus siglas en inglés) y alcanzó un récord de potencia cifrado en 1023 W/cm2, equivalente a 4 PW.
Publicado en la revista especializada Optica, el avance de los surcoreanos implica enfocar los pulsos láser a un tamaño de poco más de una micra, o lo que es lo mismo, menos de una cincuentava parte del diámetro de un pelo humano. El récord de intensidad del láser, logrado en 2021, es comparable a enfocar toda la luz que llega a la Tierra desde el sol a un solo punto de un tamaño de 10 micras.
Instalaciones de CoReLS, el láser de alta intensidad de Corea del Sur CoReLS Omicrono
"Este láser de alta intensidad nos permitirá examinar en el laboratorio fenómenos astrofísicos como la dispersión electrón-fotón y fotón-fotón", afirmó en un comunicado de prensa Chang Hee Nam, director de CoReLS y profesor del Instituto de Ciencia y Tecnología de Gwangju. "Podemos utilizarlo para probar experimentalmente y acceder a ideas teóricas, algunas de las cuales se propusieron por primera vez hace casi un siglo".
En los planes de futuro de esta tecnología también hay que contar con países como Japón o Rusia, que planean la construcción de centros especializados para poner a prueba estos potentes sistemas, con potencias entre los 75 y los 100 PW. Aunque, en última instancia y más allá de la geopolítica, poco importa quién sea el primero si los hallazgos científicos derivados de su desarrollo terminan revirtiendo en mejoras y aplicaciones prácticas beneficiosas para todos.
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