Um grande passo no estudo das menores partículas do Universo está prestes a ser dado, graças a uma atualização significativa no laser de raios-X no mais poderoso do mundo.
O Departamento de Energia dos EUA (DOE) aprovou a melhoria da Fonte de Luz Coerente Linac (LCLS), um laser de raios-X altamente potente que desempenha um papel crucial em pesquisas avançadas. A máquina está localizada no Centro de Aceleração Linear de Stanford (SLAC) – Laboratório Nacional de Aceleradores, em Menlo Park, na Califórnia.
O LCLS é utilizado por cientistas para explorar os blocos fundamentais do Universo, como átomos, nanoestruturas e moléculas. Ao bombardear essas partículas com raios-X intensos, os pesquisadores conseguem documentar processos atômicos e subatômicos essenciais para a compreensão do mundo físico. O laser é especialmente eficaz em áreas como ciência quântica, energética e biológica.
Esse tipo em específico, conhecido como laser de elétrons livres, gera luz em um espectro incrivelmente amplo. O LCLS é capaz de produzir feixes de luz extremamente brilhantes e intensos, muito superiores aos de lasers convencionais. Seu funcionamento envolve a aceleração de elétrons quase à velocidade da luz, que são então direcionados por ímãs, chamados de onduladores. Esses dispositivos forçam os elétrons a liberar fótons, resultando em um feixe de luz brilhante e altamente focado que ilumina as partículas estudadas.
Instalado originalmente em um túnel de 3,2 quilômetros que fazia parte de um acelerador de partículas construído na década de 1960, o LCLS passou por sua primeira grande atualização em 2023, com o projeto “LCLS-II”.
Essa melhoria aumentou drasticamente o brilho do laser, tornando-o até 10 mil vezes mais potente do que sua versão anterior. Para comparação, o LCLS-II é um trilhão de vezes mais brilhante que os raios-X hospitalares. Além disso, ele pode disparar até um milhão de pulsos por segundo, cada um com duração de femtossegundos – o tempo que a luz leva para percorrer apenas 300 nanômetros.
Essa capacidade possibilita a criação de “filmes” de processos químicos em tempo real. Em 2015, por exemplo, o LCLS permitiu aos cientistas observar a formação de ligações químicas pela primeira vez. Já no ano passado, ele foi fundamental para a visualização das etapas da fotossíntese. Essas observações são importantes para o desenvolvimento de novas tecnologias em áreas como reações químicas e energia solar.
Um dos grandes avanços tecnológicos do LCLS-II é o uso de um novo acelerador supercondutor. Para funcionar, o acelerador exige que os elétrons sejam resfriados a temperaturas extremamente baixas, perto do zero absoluto.
Isso é feito por meio de 37 módulos criogênicos, que reduzem as temperaturas para -271°C, mais frio que o espaço profundo. Esses criomódulos, alinhados em sequência, contêm cavidades de radiofrequência supercondutoras, responsáveis por amplificar a potência do feixe de laser. O hélio super-resfriado dentro desses módulos é fundamental para o bom funcionamento do sistema, garantindo que ele opere sem resistência elétrica ou geração de calor excessivo.
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A nova atualização, chamada “LCLS-II-HE”, promete dobrar a energia do laser, o que resultará em um aumento de 3.000 vezes no brilho. Para atingir esse objetivo, será necessário adicionar 23 criomódulos extras para aumentar ainda mais a capacidade de resfriamento.
O SLAC está colaborando com várias instituições de prestígio, como o Laboratório Nacional de Aceleração Fermi e a Universidade Estadual de Michigan, para desenvolver os novos componentes necessários para essa melhoria.
Em um comunicado à imprensa, Mike Dunne, diretor do LCLS, declarou que essa atualização será revolucionária para a comunidade científica. Segundo ele, se o LCLS-II já oferecia uma espécie de “câmera de filme de alta qualidade” para capturar imagens detalhadas de processos atômicos, o LCLS-II-HE elevará essa capacidade, proporcionando uma resolução e sensibilidade ainda maiores. “Isso permitirá que os cientistas estudem em detalhes o movimento de materiais e sistemas químicos, além de investigar complexos biológicos com maior precisão”.
Com um custo estimado em US$716 milhões (mais de R$4 bilhões), a atualização do LCLS deve estar concluída até 2030, embora testes preliminares sejam esperados muito antes.
O potencial do LCLS é transformador, especialmente nas áreas de nanotecnologia e materiais para energias renováveis. O SLAC espera que as descobertas obtidas com o uso do laser ajudem a melhorar baterias e tecnologias de energia limpa, além de avançar na criação de novos medicamentos.
Uma vez totalmente atualizado, o LCLS será capaz de produzir mais de um petabyte de dados por dia, o que poderá alimentar modelos de aprendizado de máquina e inteligência artificial, rompendo novas fronteiras para a pesquisa científica.
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