Cel mai puternic laser din lume, 10 milioane de miliarde de wați pentru experimente de fizică în condiții extreme – reportaj Le Monde la Institutul de la Măgurele

Reportaj Le Monde, preluat de Rador:

Situat lângă București, în România, acest instrument unic de cercetare oferă noi perspective în fizica fundamentală, medicină și în producția de energie.

Nu pare să se fi întâmplat nimic. Niciun zgomot în cameră. Totuși, fotografia a fost realizată cu succes, așa cum demonstrează un ecran negru din camera de control, marcat cu o pată gri perfect circulară.

Este cea mai puternică emisie de lumină laser din lume. Zece petawați (PW), sau 10 milioane de miliarde de wați, sau o zecime din puterea primită pe Pământ și emanată de la Soare. Sau de șase milioane de ori mai mult decât un reactor EPR… Dar dacă camera de control nu s-a cutremurat este pentru că această putere este furnizată pentru o perioadă foarte scurtă de timp, în jur de 25 de femtosecunde, sau 25 de milionmimi de miliardime de secundă și trei micrometri.

Acest „balaur” care scuipă de foc se ascunde într-o hală de 2.400 de metri pătrați din cadrul Infrastructurii de Lumină Extremă (ELI), la Măgurele, la zece kilometri sud de București (România), lângă un centru de cercetare nucleară, care a găzduit multă vreme un reactor sovietic. Are, de fapt, mai multe capete, două care aruncă 10 PW (cel mult o dată pe minut), alte două 1 PW (o dată pe secundă) și încă două de 100 terawatt (TW) (de zece ori pe secundă). Dezvoltat și construit de compania franceză Thales, a costat aproximativ o treime din cei 320 de milioane de euro necesari pentru construirea laboratorului, finanțat în proporție de 80% de Uniunea Europeană și restul de România. Mai are doi „frați” în Ungaria și Cehia (care nu au fost construite de Thales), mai puțin puternici, dar născuți din aceeași dorință a UE de a instala astfel de infrastructuri avansate în țări mai puțin bogate sau puternice din punct de vedere științific pentru a le ajuta dezvoltarea.

Pentru a sărbători în avans primii 10 PW pe o țintă solidă, pe 13 aprilie 2023, Thales i-a invitat pe jurnaliști să descopere măruntaiele acestei bijuterii tehnologice, a cărei utilitate nu este să înlocuiască Soarele sau centralele nucleare, ci să efectueze experimente de fizică în condiții extreme. În fiecare an, aproximativ cincisprezece teste sunt efectuate la interval de aproximativ o lună.

Visul de a face vidul să „fiarbă”

„Iluminând gaze(le), ne apropiem de anumite condiții astrofizice”, explică Domenico Doria, șeful camerelor experimentale ELI-NP, în mijlocul cărora stau recipiente metalice argintii în care domnește vidul și unde gazele sau solidele sunt pulverizate pentru a crea plasme sau „supe cu particule”.

„Un alt domeniu de aplicare este accelerarea particulelor, cum ar fi electronii sau protonii”, adaugă Victor Malka, profesor la Institutul Weizman (Israel) și președinte al Consiliului științific al ELI-NP. El este unul dintre pionierii acestei tehnici care își propune să creeze, folosind aceste lasere puternice, o undă într-o plasmă, pe care particulele să poată naviga și să fie accelerate. El și alții cred că în domeniul medical, pentru a distruge tumorile canceroase, sursele de electroni ar putea înlocui razele X, sau că terapia cu protoni ar putea beneficia de sisteme mai compacte și mai puțin costisitoare decât acceleratoarele de particule. Consiliul European pentru Inovare își finanțează proiectul de pre-prototip.

În timpul vizitei, un start-up german, Marvel Fusion, testează o altă idee: fuziunea nucleară prin laser pentru a genera energie. Aici nu se va realiza fuziune, din lipsă de energie suficientă, dar laboratorul face posibilă testarea tehnicilor de aprindere a scânteii inițiale cu laser.

Gérard Mourou, unul dintre cei trei laureați ai Premiului Nobel pentru fizică în 2018, premiat pentru munca sa asupra laserelor, a prezentat în timpul vizitei un catalog bogat în alte idei vizionare. El visează să facă vidul să „fiarbă”, adică să atingă intensități luminoase astfel încât lumina care trece prin vid să creeze o trezire de particule și antiparticule.

De asemenea, ar dori să accelereze și mai mulți protoni sau neutroni pentru a transmuta deșeurile nucleare sau chiar pentru a înlocui uraniul cu toriu nefisibil în centralele electrice cu fisiune. El ar dori să elibereze spațiul de deșeuri prin bombardarea acestora pentru a le scoate de pe orbită. Încă visează să extindă realizările ultimilor laureați ai Premiului Nobel pentru fizică – Anne L’Huillier, Pierre Agostini și Ferenc Krausz, răsplătiți pentru tehnicile de puls ultrascurt, numite „attosecunde”, de o mie de ori mai scurte decât cele generate în România.

Cercetătorul urmărește să ajungă la un interval de o mie de ori mai scurt, de zeptosecunde, pentru a crește și mai mult puterea laserelor.

„Visătorul” are argumente. Datorită tehnicii sale publicate în 1985, laserele pot atinge astfel de puteri. Tot datorită lui, Europa s-a angajat în construcția a trei infrastructuri ELI, în urma propunerii sale de a crea un laser petawatt.

„Este mai mult decât optică!”

Îndrumând vizita, el spune admirativ: „Este fabulos să vezi măiestria atinsă”, amintindu-și de primul succes la 1 TW „doar” (de 10.000 de ori mai puțin decât 10 PW), cu o undă mult mai puțin frumoasă. „Dragonul” românesc este impresionant. Este ca o rachetă în mai multe etape, care crește și se umple de energie pe tot parcursul acestei călătorii de peste 100 de metri, în cutii roșii și negre instalate pe mese grele, ele însele sprijinite pe o mie de arcuri care amortizează vibrațiile. Toate instalate într-un hangar imens care găzduiește două brațe laser duble și care ar avea loc chiar și pentru încă unul sau două brațe.

Amplificarea folosește principiul lui Einstein din 1917, emisie stimulată: atomii unui cristal de titan și safir sunt excitați la un nivel de energie mai mare decât starea lor de repaus.

Când sosește o undă laser, acești atomi se dezexcită și eliberează fotoni care se adaugă primului pluton. Și o luăm de la început.

Până la un anumit punct, pentru că la un moment dat energia este de așa natură încât oglinzile care ghidează lumina nu mai rezistă… De aici ideea lui Gérard Mourou și a co-câștigătoarei sale Donna Strickland: impulsul inițial este mai întâi „întins” în timp pentru a distribui energia și a evita vârfurile excesiv de puternice. Una câte una, culorile trec apoi prin amplificatoare succesive (cel puțin cinci pentru a obține 10 PW). La sfârșitul cursei, acestea sunt „recomprimate” pentru a reveni la forma undei inițiale foarte scurte.

Un alt „detaliu”

Pentru a evita spargerea componentelor, la fiecare etapă se mărește diametrul fasciculului, trecând de la câteva sute de micrometri la un disc „imens” de 55 de centimetri lățime. „Multe piese sunt unice în lume”, explică Christophe Derycke, expert laser la Thales, arătând ca exemplu un cristal voluminos de titan-safir cu reflexe roșiatice de 20 de centimetri lățime, obținut pe parcursul a mai bine de un an de producție lentă.

„Un laser cu această tehnică este mult mai mult decât optică! Trebuie să controlăm stabilitatea, temperatura, vidul, fluidele de răcire…” descrie Franck Leibreich, directorul activității laser la Thales, care insistă și asupra premierei reprezentate de transportul luminii intense de 60 de centimetri lățime în tuburi mari cu vid de la camera laserului până la camerele experimentale.

„A fost un pariu riscant. Atât în ceea ce privește tehnologia, cât și faptul că ne aflăm în această țară care nu avea know-how-ul”, notează Victor Malka. ”Dar românii, specialişti în fizică nucleară, erau deja obişnuiţi cu operarea instrumentelor mari. Pariul a fost un succes”.

Autor: David Larousserie / Traducerea: Ruxandra Lambru