Odată cu construirea pe Platforma de fizică de la Măgurele, în sudul Bucureștiului, a celui mai mare proiect științific și tehnologic din istoria României, asistăm la o revoluție în știință și tehnologie. Ceea ce se află în construcție aici este o infrastructură științifică și tehnică de mari dimensiuni: ELI-NP, Extreme Light Infrastructure-Nuclear Physics. La baza sa se află ridicarea și operare celui mai puternic laser din lume, unul dintre pilonii ELI, o nouă infrastructură de cercetare, de interes pan-european și parte a ESFRI – Forumul European de Strategie privind Infrastructurile de Cercetare.
Ce este ELI?
Infrastructura ELI va fi distribuită în patru locații. Trei dintre ele sunt, în prezent, implementate în Republica Cehă, Ungaria și România, cu o investiție depășind 850 milioane de Euro, majoritatea provenind din ERDF – Fondurile Europene Regionale de Dezvoltare. Este o facilitate laser care are drept scop să acomodeze laserii de cea mai mare intensitate din lume, să dezvolte noi posibilități de cercetare interdisciplinară folosind lumina de la acești laseri și de la sursele secundare provenind de la ei, și să-i pună la dispoziția unei comunități internaționale de utilizatori.
Actuala fază de implementare, 2013-2018, este coordonată de ELI-Delivery Consortium International Association, un ONG funcționând după legea belgiană. Profilurile științifice ale celor trei piloni vor fi complementare, în timp ce operarea lor începând cu anul 2018 va fi unificată sub o singură umbrelă legală, cea a European Research Infrastructure Consortium ELI-ERIC.
Infrastructura ELI-Nuclear Physics (ELI-NP)
Pilonul românesc al infrastructurii ELI (Extreme Light Infrastructure) este ELI-Nuclear Physics (ELI-NP). Noua infrastructură este destinată unei numeroase comunități științifice europene și internaționale. Misiunea sa cuprinde cercetarea științifică la frontierele cunoașterii implicând două domenii.
Primul este cel al experimentelor folosind laserul pentru studii de fizică nucleară, electrodinamică cuantică în câmpuri intense și efecte asociate în vid. Cel de al doilea se bazează pe o împrăștiere Compton inversă de înaltă brilianță și un fascicul gamma intens de joasă energie (<20 MeV), un … mariaj al tehnologiei laserilor și acceleratorilor care ne va permite investigarea structurii și reacțiilor nucleare, cât și a astrofizicii nucleare la o precizie și la rezoluții fără precedent.
La aceste teme fundamentale se adaugă dezvoltarea unui mare număr de aplicații cu un semnificativ impact social. De la managementul deșeurilor centralelor nucleare până la noi radioizotopi pentru medicină și terapia cancerului și de la științele spațiale până la știința materialelor și nanoștiințe, folosind de exemplu noi sonde puternice cum este un fascicul pozitronic de înaltă brilianță.
Centrul de cercetări ELI-NP va fi amplasat la Măgurele, lângă București. Proiectul este implementat de Institutul Național de Fizică și Inginerie Nucleară „Horia Hulubei” (IFIN-HH). Proiectul a fost lansat în ianuarie 2013 și noua infrastructură va fi operațională până la sfârșitul lui 2018. Pe parcursul ultimilor trei ani, o parte importantă a comunității științifice din lume a contribuit la forma finală a programului științific al ELI-NP într-o serie de workshop-uri internaționale.
Echipa ELI-NP a finalizat Rapoartele Tehnice de Proiectare (TDR) pentru montajele experimentale. Cu o contribuție esențială a marii comunități internaționale din domeniul laserilor și plasmei, TDR-urile includ un program științific, ambițios și de termen lung care a fost apreciat pozitiv de experții externi și de Consiliul Științific Consultativ Internațional (ISAB) al ELI-NP. Trei dintre acestea se referă la experimente laser, unul este dedicat tehnologiilor laser care urmează să fie implementate în HPLS – Sistemul Laser de Mare Putere pentru a îmbunătăți calitatea fasciculului, iar unul este dedicat sistemului de control pentru experimente și infrastructură.
Există de asemenea cinci TDR-uri pentru experimentele propuse la GBS – Sistemul Fasciculului Gamma de mare intensitate și aplicații, iar unul pentru cercetări relevante pentru domeniul medical. Un aspect unic al noii infrastructuri este posibilitatea de a combina fasciculele de electroni sau fotoni gamma cu fascicule laser într-un același experiment – există și un TDR dedicat acestor experimente de mare impact. Formele revizuite ale TDR-urilor au fost publicate într-un număr special al revistei Romanian Reports in Physics (vol. 68, ELI-NP Technical Design Reports Supplement 2016).
ELI – faza de implementare. Unde ne aflăm?
Sunt câteva repere majore în construcția infrastructurii.
Construcția în sine a fost o mare provocare, cu o suprafață totală de 34.000 m² pentru componentele principale, laserul și acceleratorul gamma, sălile experimentale, clădirea de birouri și casa de oaspeți. Acestea sunt acum finalizate și au loc verificările pentru asigurarea specificațiilor foarte stricte privind dimensiunile, utilitățile și vibrațiile. Sperăm că până la sfârșitul lunii septembrie 2016 primele componente ale laserilor și fasciculului gamma să fie instalate.
Pe lângă construcția clădirilor, proiectul ELI-NP constă în patru componente: echipa de C&D a ELI-NP, HPLS, GBS și Experimentele. Pentru fiecare dintre ele etapele principale au fost încheiate între sfârșitul lui 2015 și vara lui 2016.
Construirea echipei de C&D a ELI-NP a fost al doilea reper. În acest moment, peste 120 de specialiști lucrează la implementarea proiectului din perspectiva managementului, administrației și a cercetării. Aceștia au fost angajați după un sistem amplu de selecție. Diferitele poziții disponibile, de la cercetători principali la asistenți de cercetare, de la tehnicieni la ingineri, sunt publicate în întreaga lume și am primit sute de aplicații. După examinarea lor și interviuri, am selecționat specialiști români reveniți din țări unde au lucrat în laboratoare de ultimă generație sau în unități de cercetare, dar și experți străini din Franța, Italia, Marea Britanie, Germania, Spania, Bulgaria, Turcia, China, India, Statele Unite, Canada și Japonia.
Selecția continuă și este un proces extrem de riguros, folosind criterii de performanță de top. Acest brain gain este exact unul dintre motivele pentru care pilonii ELI se construiesc în Europa de Est. În același timp ne concentrăm pe noile generații de fizicieni de la universitățile românești. Recent am organizat un program de internship, în care studenți în anul final sau la masterat au posibilitatea de a obține un internship de cercetare la ELI-NP. Le oferim astfel șansa de a lucra într-o echipă multinațională de prim ordin în domeniul laserilor și de a putea fi angajați după absolvire.
Al treilea reper este însuși HPLS. Instalăm doi laseri de 10 PW, dezvoltați de consorțiul Thales Franța-România. Activitățile de cercetare laser au atins un nivel major la sfârșitul lui 2015, cu livrarea primului braț al HPLS, de 10 PW. Una dintre marile provocări în dezvoltarea laserului este că avem nevoie de cristale de titan-safir foarte pure, cu diametrul de 200 mm pentru a amplifica lumina.
Este o provocare reală să crești un asemenea cristal fără a introduce nici un fel de defecte. Această provocare a fost depășită în noiembrie trecut de partenerii noștri și primul nostru HPLS de 1.3 PW a fost testat cu succes în atelierele Thales Optronics din Franța. Integrarea amplifcatorilor finali până la nivelul de 10 PW va fi realizată la locația ELI-NP de la Măgurele. Activitățile legate de specificațiile tehnice pentru Sistemul de Transport al Fasciculului Laser au continuat și pregătim o nouă procedură de ofertă publică.
Al patrulea reper este GBS, dezvoltat de un consorțiu format din institute de cercetare și companii high tech din opt țări europene, condus de Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), Italia. Livrarea GBS pentru ELI-NP are patru stagii.
Primul, care își propune livrarea unui subsistem capabil să producă radiație gamma cu enegie de cel puțin 1 MV, a fost încheiat cu succes în octombrie 2015 de către EuroGammaS, după care s-au stabilit această primă parte a acceleratorului și primul punct de interacție. Subsistemul gamma de 1 MeV constă dintr-un foto-injector electronic de înaltă luminozitate în radiofrecvență (RF), o structură de accelerare în bandă C și un laser de interacție. Toate aceste componente așteaptă să fie expediate. În acest moment, GBS al ELI-NP se află în faza de implementare de nivel doi, la sfârșitul căreia Asociația EuroGammaS va furniza toate componentele necesare pentru a produce fascicul gamma de cel puțin 3 MeV.
Experimente și colaborări internaționale. Una dintre misiunile principale ale ELI-NP este să pregătească și să pună la dispoziția comunității de utilizatori din lumea academică și industrială tehnologii de producție de laseri de mare putere și fascicule gamma de super ultimă oră, împreună cu stații experimentale unice. Colaborarea din grupul ELI-NP, care acum cuprinde aproximativ 200 de cercetători și parteneri, a dus la o serie de TDR (menționate mai sus). Acestea au fost aprobate de ISAB. Am finalizat deja prima fază de achiziționare a componentelor necesare și suntem pregătiți să asamblăm experimentele proiectate de echipă.
Câteva exemple de direcții viitoare ale experimentelor noastre sunt prezentate în continuare.
Spre acceleratori mai mici
Cu laserii de mare putere trebuie să privim mai mult în viitor la rezultatele științifice posibile, pentru că nu există încă nimic care să se compare cu ceea ce construim noi. Putem intra în domenii de energie care nu au mai fost niciodată explorate. Putem de exemplu să utilizăm laserii pentru a accelera electroni la multe zeci de GeV pe distanțe foarte mici (de ordinul centimetrilor), posibil în prezent doar în acceleratori cu lungimi de kilometri și a căuta posibilități de a crea materie din vid cu ajutorul unor câmpuri intense de radiații ș.a.m.d.
O altă perspectivă interesantă este producerea de pachete dense de protoni și ioni de mare energie rezultați din interacția laserilor de mare putere cu jeturi de gaz sau folii de materie. Acești ioni pot fi utilizați pentru a induce reacții secundare pe materiale speciale, ducând la generarea de radioizotopi pentru diagnostic în medicină sau utilizate direct pentru distrugerea celulelor canceroase. Multe alte aplicații cu impact social sunt disponibile pentru industrie și spațiu (imagistică, supunerea materialelor la câmpuri intense de radiații pentru misiuni spațiale).
Experimentele gamma și cum se formează elementele din Univers
ELI-NP va pune la dispoziție fascicule de înaltă brilianță (brilliance) de bandă îngustă cu energii de până la 19 MeV cu o densitate spectrală de 104 fotoni/secundă/eV, cu două ordine de mărime peste tot ce este disponibil în prezent. Aceasta va deschide o cale pentru experimente fotonucleare de frontieră, în condiții irealizabile astăzi.
De exemplu, ciocnind aceste fascicule cu foi subțiri din diverse materiale vom fi capabili să studiem noi caracteristici ale proprietăților nucleare. Asemenea rezoluții și acest domeniu de energii vor fi în măsură să permită studierea fenomenelor care au loc în stele. De exemplu, va putea deveni posibilă măsurarea ratei reacțiilor de fuziune a particulelor alpha cu nuclee de carbon pentru a produce oxigen.
Această reacție se află la baza a tot ce este viață pe Pământ. Putem astfel găsi răspunsuri la întrebări cheie din astrofizică, de pildă cum s-au format elementele grele în Univers. Acest lucru nu s-a făcut niciodată cu o atât de mare precizie și la nivelele de energie care se întâlnesc în stele. Vor exista de asemenea aplicații în tomografie gamma și în domeniul securității nucleare privind managementul materialelor nucleare sensibile.
Colaborările și construirea unei comunități internaționale a utilizatorilor
Ceea ce trebuie să subliniem este că pregătirea științifică pentru viitoarele experimente este o componentă majoră și definitorie a activității oamenilor de știință de la ELI-NP. În acest moment, avem colaborări cu 14 institute de cercetare din România și 35 din străinătate. Practic, noi colaborăm strâns cu toți cei ce au expertiză și sunt interesați să implementeze proiectul și să folosească noul centru internațional de cercetare ELI-NP.
O altă misiune importantă pentru cercetători va fi folosirea facilităților noastre laser și gamma pentru a investiga alte domenii de mare impact în dezvoltarea unor tehnologii importante. De asemenea, suntem orientați spre dezvoltarea relațiilor cu mediul economic și industriile high-tech. În acest sens am creat Măgurele High Tech Cluster, în care deja peste 50 de IMM-uri sunt implicate în dezvoltarea unor noi produse high-tech, cu care dorim să avem un dialog permanent pentru a promova cele mai bune modalități de colaborare între cercetători și producători.
CONCLUZII
Facilitatea pe care o construim este unică. Nu numai în Europa, ci în întreaga lume. ELI-NP va pune România pe harta țărilor care găzduiesc Infrastructuri de Cercetare de clasă mondială. Ne putem aștepta la un puternic impact asupra societății și economiei în general. Începând din anul 2018, ELI-NP va face posibile descoperiri fără precedent în multe discipline, nașterea unor noi domenii de cercetare, cum ar fi fotonica nucleară și noi aplicații care ne vor schimba pentru totdeauna viața. Atragem mereu studenți și colaboratori din întreaga lume. Deja reușim transformarea brain drain-ului Europei de Est într-un brain gain și așteptăm cu nerăbdare viitoarele descoperiri.
