ELI-NP, știință la nivelul performanței extreme – interviu cu Alexandru Boianu

ELI-NP, pilonul de fizică nucleară al marelui proiect european ELI (Infrastructura Luminii Extreme) se pregătește pentru „ultima linie dreaptă” înainte de inaugurarea sa. Sau, mai plastic, se pregătește de „prima lumină”. Am discutat cu Ing. Alexandru Boianu – Senior Laser Engineer: Laser, ELI-NP, care are o îndelungată experiență, inclusiv prin activitatea desfășurată în Canada și Statele Unite, în ceea ce privește testarea și aplicațiile laserilor de mare putere cu semiconductori.

Două premiere absolute în istoria mondială a științei: cel mai puternic laser și cel mai intens fascicul gamma vor fi puse la dispoziția cercetătorilor din România, din Uniunea Europeană și, de fapt, din întreaga lume, la Institutul Național de Fizică și Inginerie Nucleară „Horia Hulubei” de la Măgurele. Vorbim de două sonde de performanță extremă care ne vor permite observarea materiei la nivele și parametri inaccesibili până acum.

ALEXANDRU BOIANU: Într-adevăr, pe de o parte avem de-a face cu un laser cu două brațe de câte 10 PW fiecare, care vor permite încă de la început atingerea unor intensități de 10²³W/cm² (de câteva miliarde de miliarde de ori mai mult decât am avea nevoie să topim siliciul, de ex.).

Pe de altă parte, este vorba de o a treia premieră mondială, și anume interacția fasciculului laser cu fasciculul provenit de la cel mai intens accelerator gamma, cu parametri, din nou, fără precedent: energii între 0,2-19 MeV și un număr de 10¹³ fotoni gamma pe secundă.

Ceea ce face ca ELI-NP să devină unul dintre locurile cele mai importante din Europa pentru a pătrunde foarte departe în cunoașterea materiei și înțelegerea mai bună a unor fenomene în condițiile în care dispunem de energii, puteri și densități fără precedent.

ALEXANDRU BOIANU: Exact. Cu o observație importantă. La început, Proiectul ELI a fost gândit ca o infrastructură unică, într-o singură locație. Decizia finală a fost însă realizarea sa ca o infrastructură distribuită, cu trei piloni la București-Măgurele, Praga-Dolní Břežany în Cehia și Szeged în Ungaria. Dar această decizie a avut în vedere (imperativ!) operarea complementară a celor trei instalații.

România a avut de la bun început o situație specială. Exista, pe de o parte, o recunoscută expertiză românească și o istorie semnificativă a fizicii nucleare la noi. Pe de altă parte, aceasta se conjuga cu tradiția puternică a domeniului laserilor (inaugurat la doar doi ani și jumătate după operarea primului laser din lume).

Aceasta a dus la selectarea unor domenii de studiu în care cele două să se întâlnească. Să menționăm astfel de la început conceperea unor experimente de fizică nucleară având drept scop caracterizarea interacției laser-ținte. Apoi, două domenii care găsesc condiții ideale la ELI-NP: fizica nucleară exotică și astrofizica. Sunt cercetări care devin complementare și în afara celor trei piloni ai ELI, deschizând cooperări cu alte mari infrastructuri, cum ar fi FAIR sau SPIRAL 2.

Mă voi întoarce la ele, dar nu înainte de a aminti grupul de cercetări care deocamdată se poate face doar la ELI-NP, cele care vor include ambele componente ale infrastructurii de la Măgurele, adică atât laserul de mare intensitate, cât și fasciculul gamma de extremă „strălucire” (brilliance). Și aici ne întâlnim din plin cu complementaritatea cercetărilor noastre cu cele ale celorlalți doi piloni ai proiectului ELI.

Ați prezentat de curând astrofizica – un domeniu de cercetare despre care nu s-a vorbit prea mult și care totuși va putea beneficia din plin de condițiile oferite de ELI-NP.

ALEXANDRU BOIANU: În astrofizică și, în particular, în astrofizica particulelor avem de a face cu obiecte de studiu și situații care apar în mod natural atunci când vorbim despre ELI-NP, sub ambele sale aspecte: cei doi laseri și acceleratorul gamma.

Experimentele programate la ELI-NP, beneficiind de un larg domeniu de energie a laserilor, ne vor duce deasupra pragului de separare neutronică, iar intensitățile remarcabile la care vom funcționa ne vor oferi și experimente mai rapide și statistici mult mai bogate. Vom putea determina parametrii nucleari cu ajutorul reacțiilor inverse (γ,n) și vom putea beneficia de reacții (γ,p) și (γ,σ), relevante pentru nucleosinteză.

Ca și celebrul accelerator de particule LHC (Large Hadron Collider), ansamblul ELI-NP, prin laserul de 2×10 PW (realizat punând să lucreze împreună cei doi laseri de 10 PW) și acceleratorul gamma, funcționează ca o „mașină a timpului”, care ne poate duce la parametri pe care îi putem întâlni doar foarte aproape de începutul Universului.

ALEXANDRU BOIANU: Da, cred că putem spune și așa, pentru că, într‑adevăr, prin parametrii cu care operăm „călătorim”, în cele câteva milionimi de miliardimi de secundă ale unui puls al laserilor de la ELI-NP, în epoci în care a avut loc nucleosinteza elementelor din Univers și s-au format stelele spre care privim astăzi.

Extinderea ELI-NP la domeniul astrofizicii face posibilă, pe de altă parte, obținerea unor rezultate care se pot dovedi extrem de utile, printre altele, pentru marile proiecte actuale ale viitorului zborurilor cosmice. Există o emoție destul de puternică privind, să-i spunem, „iminența” unui zbor cu echipaj uman spre Marte, chiar dacă vorbim despre anii 2030. Având în vedere că în acești ani infrastructura ELI-NP va fi funcțională din plin și la parametrii pentru care a fost proiectată, este tentant să ne gândim la o nouă extindere a ELI-NP, spre zona zborurilor interplanetare.

ALEXANDRU BOIANU: Bun, printre principalele scopuri declarate ale NASA figurează atât explorarea umană a planetei Marte, cât și misiunile cosmice în spațiul interplanetar.

Să ne uităm de exemplu la ce a realizat roverul marțian „Curiosity”:

• caracterizarea radiației de suprafață (inclusiv cea galactică și cosmică) evenimente protonice solare și neutroni secundari;
• măsurarea nivelului de radiații în interiorul navei, atât în timpul zborului, cât și la sol.

Ce surse importante de radiații putem identifica în Spațiul Cosmic prin care trebuie să circule navele spațiale? Fondul cosmic galactic (Glactic Cosmic Rays – GCR), compus din protoni (aprox. 85%), nuclee de heliu (12%) și ioni grei cu energii între 1 GeV și 1 TeV. La acestea se adaugă exploziile solare, care contribuie la vântul solar cu ceea ce se numește „solar proton event”, curenți de particule de energii (foarte) mari.

Având în vedere că un zbor cu echipaj uman „doar” pe Marte înseamnă, cu tehnicile actuale, o perioadă de timp de aproximativ doi ani și jumătate (180×2 zile durata zborului dus-întors plus 500 de zile în „tabăra marțiană”), devine în egală măsură important, util și interesant să putem crea în laborator condițiile de iradiere (și, desigur, nu numai), cu care ne-am putea confrunta în spațiul cosmic liber sau pe diverse planete.

Iar aici, ceea ce oferă infrastructura ELI-NP poate deschide posibilități experimentale care să contribuie decisiv la adevărata inaugurare a erei zborurilor cosmice interplanetare. În această nouă eră, o problemă acută o reprezintă evident monitorizarea iradierii astronauților. ESA a fixat o limită de iradiere pentru astronauți de 1 Sv (100 Rem) (pragul unei creșteri de 5% a riscului de cancer fatal pe durata unei vieți), combinată cu datele furnizate de RAD – detectorul pentru evaluarea radiațiilor montat pe Curiosity (valoare care este de altfel de patru ori mai mare decât cei 25.000 de miliremi folosiți ca limită pentru zborurile Navetelor Spațiale americane).

De curând, Elon Musk (fondator, CEO și CTO al celebrei companii private SpaceX) anunța intenția de a realiza un zbor fără echipaj uman pe Marte până în… 2018!

ALEXANDRU BOIANU: … ceea ce accentuează și mai mult necesitatea organizării de laboratoare de cercetare/testare la sol, pentru a modela cât mai aproape de realitate fondul de radiații al destinațiilor noastre cosmice viitoare. ISS, Stația Spațială Internațională, singurul loc (laborator, de fapt) unde se pot testa, cu un grad ridicat de confidență al rezultatelor, sisteme și măsuri de radioprotecție, se estimează a mai fi funcțională până în jurul anului 2024. Dar începe să nu mai fie de ajuns.

Avem nevoie, cum spuneam, (și) de laboratoare terestre superperformante, pentru testări și, nu în ultimul rând, pentru cercetare fundamentală, teoretică și experimentală, de fizică și biologie. Pentru a ne îndeplini „visul marțian”, ELI-NP poate oferi un reper la care nici nu ne-am fi putut gândi acum zece ani, când Proiectul European ELI a început să prindă formă.

Acum 60 de ani, marea fizică a debutat la Măgurele în cele două zone pe care le putem vedea acum și pe Google Maps: cea în care au fost construite reactorul nuclear și ciclotronul (primele astfel de infrastructuri din Europa de Est în afara URSS) și zona (mai romantică, ar spune unii), unde mai existau urmele lui Ion Oteteleșanu, Ion Slavici și Mihai Eminescu alături de care începea să prindă contur amprenta unor noi domenii ale fizicii care își începuseră evoluția: laseri și plasmă, fizica materialelor, fizica experimentală a particulelor elementare, fizica teoretică.

„Casa” unde va locui ELI-NP se află evident în prima zonă, cea marcată din plin de fizica nucleară. Se creează însă o legătură extraordinară cu această zonă „veche”, cea în care s-au născut, printre altele, primul laser românesc și primul nostru calculator electronic.

ALEXANDRU BOIANU: Ceea ce face unice cele două mari instalații este valoarea fără precedent a parametrilor care le caracterizează. Intensități foarte mari, care se pot obține prin focalizarea fasciculului pe o suprafață extrem de mică (intensitatea fiind raportul dintre putere și suprafață): un fascicul laser cu diametrul de 550 mm care este focalizat pe o țintă de… 50 de microni, adică de 10.000 de ori mai mică!

Acesta este factorul cu care creștem intensitatea laserului și în acest fel reușim să deschidem noi posibilități de studiere a materiei. Să nu uităm, și repet acest lucru, că această combinație laser + accelerator gamma permite cu adevărat studierea materiei în condiții extreme. Pregă tindu-ne pentru primele experimente la ELI-NP, cred că putem spune, parafrazându-l pe Carl Sagan (care la rândul său îl parafraza pe Laplace), că apropierea de materie în condiții extreme cere, impune, mașini, instalații cu performanțe extreme.

PERSPECTIVA MARILOR APLICAȚII

Medicină

Încă din primele momente când a început să se vorbească, la noi și peste tot în lume, de iminența construirii infrastructurii de la Măgurele, primele exemple de aplicații au fost cele din medicină. Care sunt nu doar cele mai aproape de nevoile și interesul populației, ci reprezintă și „promisiunea ELI-NP” cu cea mai mare șansă de se putea finaliza încă din primii ani de funcționare.

ALEXANDRU BOIANU: Da, putem spune că este vorba de o serie de aplicații care pot fi considerate ca, practic, imediate. Și este și normal să fie așa, mai ales dacă ne gândim că pe primul loc se află terapia anticancer și producția de radioizotopi pentru investigații și tratamente medicale.

Prima are în vedere punerea la dispoziție de acceleratori de particule compacți (tabletop!) pentru hadronterapia (cei mai cunoscuți hadroni fiind protonii). Pentru medicină, un mare avantaj al acceleratorilor tabletop este prețul, accesibil oricărui spital la care se face terapie anticancer.

În ceea ce privește producția de radioizotopi, a început să se încetățenească un nou termen: „desktop alchimia” – ca pe vremea vechilor alchimiști, se caută „rețete” de producere a acestor substanțe, esențiale în noua farmacologie. Acest nou tip de alchimie își poate demonstra utilitatea în fizica medicală. „Alchimia este efectiv utilă în producția de radioizotopi pentru medicină” spunea, încă din 2003, Philip Walker, șeful de atunci al diviziei de fizică nucleară și fizica particulelor a Institute of Physics, societatea națională de fizică din Marea Britanie.

Un exemplu important este fluorul 18, care, printre altele, stă la baza PET – tomografia cu emisie de pozitroni (particule identice cu electronul, dar având sarcină electrică pozitivă). El este larg folosit în imagistica medicală: ciocnirea sa cu un electron localizat, de exemplu într-o tumoră, duce la anihilarea sa într-o mini explozie de energie, care poate fi imediat „văzută”, localizând astfel zona pe care ne dorim să o investigăm.

F18 are o viață scurtă (sub două ore). Așa se selecționează de altfel toți radioizotopii pentru imagistică, pentru că ei nu trebuie să „trăiască” prea mult în organism pentru a nu-l pune în pericol. Extrem de important, tocmai datorită acestei vieți scurte, acești radioizotopi trebuie produși cu cât mai puțin timp înainte de a ajunge la spital și a fi folosiți. De aceea, este nevoie ca instalația care îi produce să fie cât mai aproape de spital, dacă se poate, chiar în interiorul său.

Și aici se vede cât este de important să se dezvolte laserii tabletop, ceea ce este posibil doar cu ajutorul laserilor de mare putere! Cu ajutorul lor se pot obține acești radioizotopi prin iradiere laser, și nu ca înainte, în reactoare nucleare (prima demonstrație fiind făcută încă de la începutul anilor 2000 de echipa Prof. Ken Ledingham de la Univ. Strathclyde, care a obținut F18 iradiind o țintă de oxigen cu laserul de 1 PW VULCAN de la Laboratorul Rutherford-Appleton de lângă Oxford).

În fine, o altă aplicație extrem de importantă a radioizotopilor este diagnoza. Cunoaștem peste 2.300 de radioizotopi, dar doar câțiva dintre ei îndeplinesc criteriile pentru a fi utilizați în acest scop, printre care:

• să fie de viață scurtă (de ordinul de mărime al duratei estimate punerii diagnosticului)
• să emită radiație gamma suficient de puternică pentru a fi detectată, dar a cărei energie să nu pună în pericol pacientul
• să nu emită radiații alpha și beta, care sunt absorbite în corpul pacientului și astfel nu pot fi detectate din exterior.

Ca în sport, „cel mai bine plasat” dintre ei pare a fi Tc^99m (m însemnând aici metastabil), utilizat în peste 80% dintre testele de diagnoză.

Știința materialelor: performanță extremă pentru condiții extreme

Un alt domeniu în care se așteaptă ca laserii de mare putere să aducă clarificări majore și să deschidă direcții absolut noi pentru aplicații în inginerie este cel al științei materialelor.

ALEXANDRU BOIANU: Interesant de observat, epoca pe care o trăim este marcată de un „trend” dublu: urcarea pe scara puterilor și, în același timp, coborârea pe scara duratei pulsurilor.

În primul caz, după „antrenamentul” pe care l-am făcut cu primii laseri de 1 PW (la Laboratorul Național Rutherford-Appleton-UK, la Lawrence Livermore National Laboratory-USA și la CETAL-RO), putem spune că ne-am „stabilit” la scala Peta (10¹⁵) și contemplăm scala Exa (10¹⁸).

În cel de-al doilea caz am ajuns la scala femto (10^-15), cu pilonul de la Szeged al ELI ne îndreptăm spre scala atto (10^-18) și contemplăm chiar și scala zepto (10^-21) cu proiectul IZEST dezvoltat de École Polytechnique (Paris) la International Center for Zetta-Exa Science and Technology.

Nanoștiințele și nanotehnologiile sunt deja concepte fizice cunoscute și larg utilizate. Ne-am obișnuit cu o serie de cuvinte noi, cum ar fi „quantum dots” sau „grafen”. Posibilitatea (destul de recentă) de a accesa femto-scala, adică pulsurile laser cu durată de doar câteva zeci de femtosecunde (milionimi de miliardimi de secundă) a dus la descoperirea unor noi fenomene, cum ar fi tranzițiile de fază induse cu laser.

Ne-am obișnuit de asemenea să tot auzim termenul „noi materiale”. Care să poată depăși limitele generațiilor actuale de materiale, o problemă de mare interes, printre altele, pentru viitorul energeticii nucleare. Pentru noile generații de reactori nucleari – ca și pentru obținerea relicențierii celor existente – este nevoie de materiale care să reziste și „să performeze” conform noilor cerințe de proiect.

Aceasta a dus la dezvoltarea de materiale și metode care să facă față condițiilor extreme de mediu din interiorul unui reactor. Condițiile într-un reactor nuclear pot fi caracterizate fără nicio ezitare drept severe. Evident, aceasta impune folosirea unor materiale cu proprietăți speciale. Ceea ce, la rândul său, reprezintă o mare provocare pentru știința materialelor.

Astfel, pentru a ajunge să înțelegem cum reacționeză materialele în condiții extreme de flux de radiații, presiune, temperatură etc., este mai întâi nevoie să înțelegem cum se desfășoară diferite procese fizice și chimice la scale multiple de timp: de la nanosecunde, cel puțin, până la miliarde de ani (scala vieții deșeurilor nucleare care prezintă riscurile cele mai mari pentru populație, dar și pentru mediu).

Pentru a obține progrese substanțiale, primele urgențe sunt compactizarea surselor de radiații (și implicit a laserilor de mare putere) la dimensiuni adecvate studiilor de laborator și capacități de calcul care să facă față acestei noi etape. Fără a intra în amănunte, voi menționa așa numitele experimente „pompă-probă”, dezvoltate pentru studiul proceselor ultrarapide (scală nano și femto) în câmpuri înalte de radiație, necesitatea de a dispune de noi tehnici de microscopie.

Și să nu uităm noua clasă a metamaterialelor (10-15 ani!), materiale inexistente în natură, „fabricate” pentru a avea, de exemplu, indice de refracție negativ sau comportări nenaturale atunci când acționăm asupra lor (sub presiune, volumul lor… crește!).

Laserii de mare putere, deșeurile radioactive și lupta împotriva terorismului nuclear

Nu putem să încheiem fără a vorbi despre ce poate aduce combinația laseri de mare putere și fizică nucleară.

ALEXANDRU BOIANU: Sigur, aici vorbim de aplicații al căror orizont de timp, realist vorbind, se află dincolo de cel al aplicațiilor medicale sau al celor privind generațiile viitoare de materiale. Dar, fără nici o exagerare, importanța lor este covârșitoare.

Să luăm de exemplu terorismul nuclear – un pericol potențial pe care nimănui nu îi este permis să-l neglijeze și nici măcar să-l minimalizeze. Stoparea terorismului este un evident imperativ al acestor zile. Problema – prima dintre probleme, pentru că evident sunt multe – este că actualul control de securitate, folosind raze X, nu mai este suficient într-un caz de intenție clară de a transporta material pentru construirea, de exemplu, a unei bombe nucleare.

Gândiți-vă că este suficient să realizezi într-un tir o ecranare a unei surse cu panouri de plumb pentru ca razele X să nu poată pătrunde. Și atunci soluția este recurgerea la instalații cu raze gamma. Care nu au nici o problemă de a pătrunde oriunde. Construirea la ELI-NP a marelui accelerator gamma își dovedește și în acest fel utilitatea.

Cealaltă aplicație este însă una chiar și mai specială. Pentru că este vorba de posibilitatea unei mult așteptate rezolvări efective a problemei deșeurilor radioactive.

Acum câțiva ani am participat, la Institut la noi, la un seminar ținut de Profesorul Ken Ledingham pe acest subiect.

ALEXANDRU BOIANU: De la el a pornit de fapt totul. Foarte pe scurt și mult simplificat, ideea este ca, neputând să „distrugem” radioizotopii de viață foarte lungă, care sunt și cei mai periculoși, să încercăm să-i… transmutăm, progresiv, în izotopi de viață din ce în ce mai scurtă.

Alegerea lui Ken Ledingham a fost I¹²⁹ – iodul 129, produs în timpul arderii uraniului în reactori nucleari, cu o viață de 15,7 milioane de ani. Ceea ce au reușit ei a fost să-l transmuteze în I¹²⁸, tot radioactiv, dar cu o viață de doar 25 minute! Cum? Iradiind o mică țintă de aur cu un puls de 360 J de la laserul Vulcan de 1 PW (Laboratorul Rutherford Appleton).

În cele 0,7 ps ale duratei sale, pulsul a fost focalizat pe țintă, atingându-se o intensitate de 5×10²⁰ W/cm² („The laser ionized the gold to form a plasma and then accelerated the electrons in the plasma to relativistic energies”). Lovind ținta de Au, electronii au emis raze gamma. Acestea au dus la emiterea unui neutron din nucleul de I¹²⁹, care astfel devine (se transmutează în) I¹²⁸. Fiecare puls laser a produs circa 3 milioane de nuclee de I¹²⁸.

Ken Ledingham: „Am arătat pentru prima oară că putem transmuta izotopi cu laserul […]. Acum trebuie să ne perfecționăm metodele pentru a putea face față la cantități de ordinul de mărime al celor presupus a fi produse de industria nucleară în viitor. Folosirea laserilor este o metodă relativ ieftină și foarte eficientă de a scăpa de deșeurile radioactive.”

Înspre finalul seminarului de la IFIN-HH, Ken Ledingham s-a întors brusc spre Directorul General, Victor Zamfir și i-a spus, foarte direct, deși ușor dramatic: „Vreau să vă aud, acum și aici, spunând că veți decide ca toți oamenii dumneavoastră să lucreze împreună cu noi pentru perfecționarea transmutării radioizotopilor.”

Profesorul Zamfir i-a răspuns, la fel de direct, dar mult mai scurt: „NU”. La Institut începusem marea aventură ELI-NP. Și știam foarte bine că acest pas trebuie făcut pentru a îndeplini orice. Chiar și un vis care poate părea imposibil.