Láseres iluminando las fronteras del conocimiento

Etxebeste Aduriz, Egoitz

Elhuyar Zientzia

Cuando en 1960 Theodore Maiman inventó el láser no servía para nada. Ahora están donde están. También han surgido nuevos tipos de láser capaces de captar potencias increíbles en un corto espacio de tiempo, difícil de entender, hasta aproximarse a lo que ocurre en el corazón de una estrella. Los expertos tienen alguna idea hasta cierto punto para qué servirán.
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Ed. © Ecole Polytechnique/J. Barande

Respecto a los ultrarrápidos láser de alta intensidad, el Premio Nobel Gerard Mourou afirma que en este momento las aplicaciones de este tipo de láser son más numerosas que las que existen, aunque reconoce que muchas de estas aplicaciones todavía deben ser probadas. Estas declaraciones las realizó el pasado mes de mayo en Salamanca, uno de los centros de láser más importantes para demostrar algunas de estas posibles aplicaciones: Centro CLPU (Centro de Laseres Pulsados).

Donna Strickland y Mourou revolucionaron el mundo de los láseres a mediados de la década de los 80 cuando inventaron la forma de aumentar la intensidad de los láseres. En esta época parecía haber alcanzado el límite de intensidad que podían tener los láseres, ya que si intentaban aumentar la intensidad se destruía el material amplificador. Sin embargo, Strickland y Mourou idearon una nueva técnica que superaba este problema: Técnica CPA (Chirped Pulse Amplification): a partir de un pulso muy corto, se estiró el pulso, se amplificó después y finalmente, comprimido, se demostró que podía aumentar mucho la intensidad. El año pasado recibió el Premio Nobel de Física por este trabajo.

Desde su invención se ha convertido en una técnica básica para la fabricación de láseres de intensidad creciente. El centro CLPU de Salamanca acogió el pasado año el tercer láser más potente del centro: VEGA-3. En este tipo de láser se encuentra entre las diez más intensas del mundo. Tiene una potencia de un petawatt, 1.000.000.000.000.000 o 1015 vatios, unas 25.000 veces más que la potencia eléctrica de toda España.

Jon Apiñaniz Aginako. Investigador de CLPU.

Pulsos ultravioleta

Sin embargo, no requiere mucha energía para conseguirlo, ya que los pulsos del láser son muy cortos, de 30 femtosegundos. Un femtosegundo es de 10 a 15 segundos, es decir, 0,00000000001 segundos. Un femtosegundo tiene en un segundo la misma proporción que un segundo en la edad del universo. Ahí está la clave para conseguir este tipo de potencias. “La característica más importante de estos láseres es su carácter pulsátil, según Jon Apiñaniz, investigador del CLPU de Aginako, es decir, los láseres convencionales generan un flujo continuo de luz y, en este caso, se lanzan unas balas de luz concentrando una gran cantidad de luz en un tiempo muy corto, obteniendo potencias enormes”.

Estas balas de luz son bolitas microscópicas de luz de tanta energía que colocan la materia en contacto en estado de plasma. “En el estado de plasma el comportamiento de la materia es muy diferente. Nosotros utilizamos el láser para investigar esto, trasladamos la materia a niveles de energía muy altos, similares a los de una central nuclear o a los de los núcleos de las estrellas”, explica Apiñaniz. Estos láseres sirven principalmente para realizar estudios de física nuclear, astrofísica de laboratorio y física básica en general.

Los recursos de CLPU están a disposición de investigadores de todo el mundo. Las solicitudes que reciben, así como las de sus investigadores, son analizadas por un comité externo. Y esa comisión decide cómo distribuir los recursos. No faltan solicitudes. Y es que el láser VEGA-3, además de potencia, tiene otra característica muy atractiva para los investigadores: la rapidez. Puede disparar un pulso por segundo. En los láseres de esta potencia sólo hay otros dos en el mundo que pueden hacerlo. “Esto es muy importante —explica Apiñaniz—, los experimentos son complejos y hay una gran variabilidad de disparos a tiro, por lo que es necesario acumular datos para que sean estadísticamente válidos. En muchos láseres puede ser necesaria una hora o una hora de espera entre disparos, para enfriar los condensadores, recargar, etc., lo que dificulta la acumulación de datos”.

Centro CLPU en Salamanca. ED. : © Yaiza Cortes/CLPU.

Reto tecnológico y científico

Construir y mantener un láser capaz de lanzar balas de luz cada segundo de 30 femtosegundos y un petawatt no es tarea fácil. “Es un verdadero reto tecnológico y científico”, afirma Apiñaniz. “La pureza de los cristales debe ser muy precisa; deben mantenerse a una temperatura muy determinada; el láser, una vez amplificado, no puede pasar por las lentes porque las destruirían, por lo que las lentes deben ser sustituidas por espejos de varios tipos (esféricos, parabólicos…); el láser debe viajar al vacío, porque de lo contrario el aire también ionizaría y convertiría en plasma…”.

Y poder medir lo que ocurre en los experimentos que se realizan con láser es otro reto. “Esa es una de sus grandes claves. No es fácil medir las características temporales del pulso. Aquí no sirve con la instalación de sensores de luz. La electrónica no funciona a esas velocidades. Hay que utilizar métodos ópticos”, explica Apiñaniz. “Y para saber lo que sucede en la realización del experimento debemos desarrollar técnicas diagnósticas lo suficientemente rápidas como para que sea posible. Esta es la labor de nuestra unidad científica. Utilizamos diferentes métodos. Por ejemplo, desviamos una pequeña parte del láser para hacer un camino más largo y llegar unos femtosegundos más tarde, sacando así una foto del experimento unos femtosegundos más tarde. Además, utilizamos cámaras de rayos X; espectrómetros de partículas para saber qué partículas se han formado y qué energía tienen, etc.”

“Para sacar una foto de la naturaleza en estas escalas necesitas interacciones más rápidas que la que dura lo que quieres estudiar”, explica Apiñaniz. “Los fenómenos astrofísicos, como los procesos que se producen en los núcleos de las estrellas, o las excitaciones de los núcleos de los átomos, o de los electrones, los cambios en los estados cuánticos de la materia, etc., se producen en escalas de femtosegundos o attosegundos, como máximo en nanosegundos”.

Jon Apiñaniz en el área de experimentación del láser VEGA-2 (200 terawatios). ED. : © Javier Sastre/CLPU.

Fusión en destino

Entre los temas que se están investigando con láseres de CLPU y similares, Apiñaniz destaca uno por encima de todos: “El objetivo último de este tipo de láseres más potentes es investigar la fusión nuclear”. Es un proceso anti-fisión en centrales nucleares, la fusión. En lugar de romper un átomo pesado e inestable, se trata de fusionar dos átomos ligeros, de la misma manera que en las estrellas se forma un átomo de helio con dos átomos de hidrógeno. Esto daría una energía enorme, sin generar residuos radiactivos.

Es un sueño ancestral, pero fusionar átomos ligeros es algo muy difícil. Conseguir presiones o temperaturas extremas. La estrategia es aumentar la temperatura mediante confinamiento magnético en reactores como ITER. Con Laser, el objetivo sería alcanzar presiones extremas. A un combustible sólido se le lanzarían pulsos láser por todas partes a la vez, cuya presión provocaría una enorme compresión del combustible y una fusión. “Esa sería la última aplicación que todos tenemos en mente, aunque todavía está muy lejos”, reconoce Apiñaniz.

Aplicaciones más cercanas

Interior del láser VEGA-3, uno de los puntos de amplificación del láser. ED. : © Enrique García/CLPU.

Sin embargo, existen aplicaciones que podrían estar mucho más cerca. “La aportación de este tipo de energía a la materia implica procesos de física nuclear como la aceleración de partículas”, explica Apiñaniz. “Por ejemplo, los protones se aceleran como en aceleradores como el lhc, pero con menos energía y en instalaciones mucho más pequeñas. Esto puede ser útil en medicina nuclear o en la proto-terapia”.

Actualmente, en medicina, se utilizan aceleradores de partículas para obtener los isótopos radiactivos necesarios para la realización de tomografías de emisión de positrones (PET). Son instalaciones grandes y escasas. “Podemos optimizar estos láseres para crear estos isótopos en instalaciones mucho más pequeñas y útiles”, explica Apiñaniz. “Y así se podría hacer en cualquier hospital”.

Apiñaniz lo ve bastante cerca. Y de la prototerapia, que puede costar algo más, cree que se puede conseguir en un futuro cercano. La radioterapia es una técnica en la que los rayos X convencionales se sustituyen por protones. La irradiación de un tumor con rayos X también afecta gravemente a los tejidos circundantes. En los casos en los que el tumor está profundo, este puede ser un problema grave, ya que afecta mucho a lo que hay antes y después del tumor. Los protones, por su parte, pueden actuar exactamente a la profundidad deseada. Para ello, sin embargo, “son necesarios muchos protones y un cierto nivel de energía, que actualmente sólo se puede conseguir con grandes aceleradores de protones”, explica Apiñaniz. “Sin embargo, a través de Láseres podríamos conseguirlo en instalaciones mucho más pequeñas, y entonces estaría al alcance de mucha más gente, ya que hoy en día es muy poco posible”.

Mourou, en la rueda de prensa que ofreció en Salamanca, anunció que se podía conseguir en un plazo de unos cinco años. El premio Nobel también destacó otra aplicación que es objeto de estudio en los últimos años: el tratamiento de residuos nucleares. “La energía nuclear podría ser una excelente fuente de energía, pero tenemos que solucionar el problema de los residuos nucleares”, señaló Mourou. “Con estos láseres de alta intensidad podemos producir partículas de gran energía, con las que se puede producir la transmutación de los residuos nucleares, de forma que la radiactividad de estos residuos pase de ser de millones de años a ser sólo de unos años, o de unos días. El láser de aquí [del CLPU] sirve para demostrarlo, pero para poder aplicarlo realmente sería necesario disponer de láseres más eficientes que aún no existen”, añadió.

Ya está disponible en la República Checa el láser L3-HAPLS del centro ELI-Beam. ED. : LLNL.

Proyecto gigante europeo

Mientras tanto, aunque se está retrasando por algunos problemas administrativos y políticos, el proyecto europeo gigante Extreme Light Infrastructure (ELI) está a punto de estar en marcha. Tres centros constituirán la CDR. En la República Checa, en el centro ELI-Beam, utilizarán los pulsos de cuatro láseres como fuente de rayos X, electrones y protones. Los pulsos serán femtosegundos y el más fuerte de los cuatro láseres tomará 10 PW. En Hungría, ELI-Attosecond contará con cinco láseres que producirán pulsos aún más breves (de la escala de los attosegundos). Y por último, en Rumania, ELI-Nuclear Physics contará con dos fuentes de rayos láser y gamma de 10 PW.

Cuando se ponga en marcha, la ELI creará condiciones físicas nunca vistas. Y los científicos están interesados en lo que va a pasar al lanzar fuertes pulsos láser. “La verdad es que yo tampoco sé qué podemos esperar. Estamos en los límites del conocimiento, también en los límites de la técnica”, explica Apiñaniz.

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