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Por que os lasers mais poderosos do mundo poderiam desvendar segredos do cosmos?

Foto de homem mexendo em um telescópio com laser

Author, Charlotte Lytton
Role, Da BBC News
Há 15 minutos

Dentro de um laboratório de pesquisa da Universidade de Michigan, uma luz verde brilhante enche uma câmara de vácuo gigante. É do tamanho de duas quadras de tênis. As paredes são protegidas por 60cm de concreto para impedir o vazamento de radiação, e a equipe usa máscaras e redes de cabelo para garantir que os eletrônicos delicados não sejam afetados.

Trata-se de Zeus, que em breve será o laser mais poderoso dos EUA - e agora aparece para seus primeiros experimentos oficiais.

Ao contrário dos lasers contínuos que digitalizam seus códigos de barras nas lojas, Zeus é um laser pulsado, disparando em explosões de alguns quililionésmos de segundo. Cada pulso será capaz de atingir um pico de potência de três petawatts - que equivalem a mil vezes o consumo de eletricidade de todo o mundo. Um laser capaz de uma energia tão extremamente comprimida ajudará pesquisadores a estudar as leis quânticas que sustentam a realidade, por exemplo, ou a recriar as condições da astrofísica extrema no espaço.

Mas Zeus não é o único laser enorme que poderia revelar novas descobertas nos próximos anos - há uma série de outros lasers de alta potência em instalações da Europa à Ásia em seus calcanhares.

O campo como um todo "está realmente crescendo", diz Karl Krushelnick, diretor do Centro Gérard Mourou de ciência óptica ultrarrápida da Universidade de Michigan. "As pessoas estão expandindo os limites da tecnologia."

No Reino Unido, um laser chamado Vulcan 20-20 se tornará o mais poderoso do mundo quando for concluído em 2029. Produzirá um feixe bilhões de vezes mais brilhante do que a luz solar mais intensa. Este único pulso produzirá seis vezes mais energia do que é produzido em todo o mundo - mas durará menos de um trilionésimo de segundo, com seu alvo medindo apenas alguns micrômetros (ou 0,001 de milímetro). Como Zeus, Vulcan 20-20 receberá cientistas de todo o mundo para realizar experimentos que possam ampliar nossa compreensão do cosmos, da fusão nuclear e até mesmo criar matéria até hoje desconhecida.

O Vulcan 20-20 de 20 petawatts é uma atualização de £85 milhões (US$ 106 milhões) no Vulcan existente na Central Laser Facility (CLF) em Harwell, no Reino Unido - que está sendo desmontado.

Atualmente do tamanho de duas piscinas olímpicas, seus espelhos de um metro de largura pesam 1,5 tonelada cada. Fios brancos grossos serpenteiam para fora da abertura do laser, à medida que o aparelho se dobra ao redor da sala. Considerado tecnologia de ponta quando foi construído pela primeira vez no Laboratório Rutherford Appleton em 1997, o novo laser será 100 vezes mais brilhante.

A "coisa impressionante não é apenas a potência, mas sim a intensidade do laser", diz Rob Clarke, líder do grupo de ciência experimental da CLF. Para entender essa intensidade, imagine 500 milhões de milhões de lâmpadas padrão de 40W.

Agora "comprima essa luz em algo em torno de um décimo do tamanho de um cabelo humano", diz ele. "O resultado disso é uma fonte de luz muito, muito intensa, e é isso que cria todas as coisas divertidas de plasma, como enormes campos elétricos e magnéticos, e aceleração de partículas."

O Vulcan 20-20 permitirá que os cientistas realizem pesquisas astrofísicas no laboratório - recriando as condições de galáxias distantes para analisar o funcionamento interno de estrelas ou nuvens de gás, ou como a matéria pode se comportar quando exposta a temperaturas e densidades específicas.

O campo de estudo é impulsionado pelo desejo de investigar o cosmos, explica Alex Robinson, o principal físico teórico de plasma do CLF. A pesquisa astrofísica geralmente é "observacional", diz ele. "Você está apontando algum tipo de telescópio e vê várias coisas. Mas surge a questão do que realmente está acontecendo." A esperança é que a realização de experimentos com um laser de tal poder, pela primeira vez, permita "testes realmente rigorosos sobre se certas teorias poderiam funcionar ou não".

Entre os mistérios que se espera investigar em Oxford estão as origens dos campos magnéticos, que cercam a maioria dos objetos substanciais no Universo, como estrelas e planetas. "Por que esses campos magnéticos estão lá? Não é exatamente óbvio”, diz Robinson, e nenhuma observação pode realmente voltar e testar por que eles primeiramente surgiram.

Um desses métodos de teste pode envolver a fusão de matéria para criar ondas de choque e a adição de turbulência fabricada, como causadas por nuvens moleculares, planetas e poeira, para ver se isso "poderia dar origem a campos magnéticos".

Outros experimentos explorarão as origens dos raios cósmicos (partículas de alta energia que podem viajar quase na velocidade da luz), como os jatos (sprays de partículas que disparam de colisões de alta energia) são formados e a estrutura dentro de planetas gigantes.

Os pesquisadores também usarão o laser Vulcan 20-20 para investigar a formação de novos materiais. Uma forma de nitreto de boro, um material mais duro que o diamante, foi potencialmente considerada metastável - criada em condições de pressão e intensidade muito altas fabricadas no laboratório, que podem posteriormente sobreviver em temperaturas ambientais.

"E então a questão é: que outros materiais você poderia fazer da mesma maneira?" Diz Robinson. "Eles teriam propriedades eletrônicas ou ópticas fantásticas? Eu não sei. Mas pelo menos há um pedaço lá nos dizendo que há algo que vale a pena explorar."

Alcançando a fusão

A fusão nuclear também está na lista de áreas onde os lasers de ultra-alta potência. Em julho, pesquisadores da National Ignition Facility do Lawrence Livermore National Laboratory, na Califórnia, usaram lasers para obter um ganho líquido de energia pela segunda vez.

Após o avanço original do centro em dezembro passado, o experimento deste ano criou um rendimento energético mais alto do que o primeiro, aumentando novamente as esperanças de que a energia limpa possa substituir nossas fontes de energia existentes. (Reações de fusão não liberam gases de efeito estufa ou resíduos radioativos.)

A fusão também tem sido uma das principais áreas de estudo no centro de Infraestrutura de Luz Extrema para Física Nuclear (ELI-NP) em Măgurele, Romênia - que com uma força de 10 petawatts mantém o título de laser mais poderoso do mundo (Mourou, seu diretor e homônimo da instalação da Universidade de Michigan, disse que sua criação está "a par com um pouso lunar, onde o fracasso não é uma opção").

No ano passado, o operador do laser romeno começou a fazer parceria com empresas privadas para desenvolver tecnologia que possa alimentar as primeiras usinas de fusão comercial do mundo. Usando a técnica de "Amplificação de Pulso Chirped" que rendeu a Mourou e Donna Strickland o Prêmio Nobel de Física em 2018, os pulsos a laser serão esticados, reduzindo sua potência máxima, antes de serem amplificados e comprimidos novamente.

Isso "praticamente mudou totalmente o desenvolvimento do laser", diz Clarke, permitindo que intensidades muito mais altas sejam alcançadas com uma baixa potência.

Espera-se que a pesquisa deles sobre os processos físicos dessa interação seja publicada em três anos, antes da construção das primeiras usinas de fusão comercial na década de 2030.

Maior é melhor?

Os físicos estão bastante interessados em enfatizar a natureza colaborativa do campo - mas o tamanho continua sendo uma um ponto para se gabar. De acordo com Chang Hee Nam, diretor do Centro de Ciência Relativística do Laser (CoReLS) na Coreia do Sul e professor do Instituto de Ciência e Tecnologia de Gwangju, o laser do centro atualmente "detém o recorde laser de maior intensidade" do mundo, atingindo 10^23 W/sq cm - ou uma intensidade tão poderosa quanto toda a luz na Terra focada em pouco mais de um micrômetro, ou menos de um quinquagésimo do diâmetro de um cabelo humano.

Os cientistas sul-coreanos estão usando a tecnologia para explorar, entre outras coisas, a terapia de prótons - um tratamento de câncer que tem como alvo feixes carregados positivamente nos tumores dos pacientes.

Pesquisas que podem produzir novas aplicações médicas, juntamente com o teste de ideias centenárias sobre o estado do Universo, foram bem exploradas na máquina de quatro petawatts da CoReLS - mas a equipe não para por aí. Nam diz que "agora estamos pressionando para ter um laser de petawatt mais alto; estamos preparando algumas propostas para um feixe de laser de 25 petawatts". Se encomendado nos próximos seis anos, como ele espera, superará o ainda não construído Vulcan 20-20.

Ainda assim, Clarke, do Vulcan, diz que poder e intensidade não são tudo. A métrica mais importante agora é "o que você pode fazer com ele? Que ciência você está buscando? O que você vai conseguir com isso?"

Esses lasers, e os pesquisadores que trabalham neles, preocupam-se com uma coisa acima de tudo, diz ele. "É sobre construí-lo corretamente e usá-lo corretamente."