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.

Laser superpoderoso é capaz de disparar até um milhão de pulsos por segundo

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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Atualização deve ser concluída até 2030

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.