Fusión y gravitación: científicos rusos explican para qué sirven los láseres ultrapotentes

Desde la creación, a mediados de la década de los 50, de las primeras fuentes de luz coherente por Nikolái Básov y Alexandr Prójorov en la URSS y Charles Townes en EEUU, la comunidad científica se dio cuenta en seguida de su importancia para la física fundamental y tecnología.

Ya la primera generación de los láseres fue capaz de generar un campo electromagnético de tal fuerza que antes no se podía conseguir en las condiciones de laboratorio. Desde luego, la radiación electromagnética de una intensidad comparable o incluso mayor se produce durante ciertos fenómenos naturales, principalmente espaciales, pero era imposible utilizarlos para un experimento de laboratorio. Por eso los físicos acogieron las instalaciones láser, primero muy simples y de poca potencia, como una nueva herramienta de investigación, muy prometedora.

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Ya entre 1960 y 1970 se propusieron numerosos proyectos de empleo del láser en la física fundamental. Los más conocidos de ellos son la fusión nuclear por láser y la generación de antimateria a partir del vacío con ayuda del fuerte campo de láser. Pero ambos desarrollos requerían una potencia enorme del rayo láser que en aquellos años parecía inalcanzable.

Desde entonces la tecnología láser ha venido incrementando la potencia máxima de los impulsos de láser y la calidad del haz láser. Las características de las instalaciones láser, incluida la relación entre su coste y dimensiones y la potencia, han mejorado tanto que los láseres han pasado de los dispositivos singulares a los agregados industriales relativamente baratos.

El ámbito de su empleo es amplísimo. Se usan en la cirugía y en los sistemas de diagnóstico con láser, para soldar y cortar materiales, en la metrología, química, industria militar.

Además, los láseres son un elemento básico de cualquier laboratorio físico.

En el interior de la Tierra y el espacio

Hoy en día, los láseres se emplean para mediciones de alta precisión de las distancias y lapsos de tiempo microscópicos. En 2015, esto permitió a las colaboraciones LIGO y VIRGO solucionar uno de los complicadísimos problemas que hacía casi un siglo intentaba solucionar la física fundamental: 'captar' las ondas gravitacionales. Dos años más tarde, los autores del descubrimiento recibieron el Premio Nobel de Física.

"Los interferómetros láser son elementos centrales de la instalación LIGO, en la que se realizó una medición increíblemente complicada de la métrica del espacio producida por una onda gravitacional originada por la colisión de dos agujeros negros", explicó el catedrático del departamento de Física Teórica Nuclear de la Universidad Nacional de Investigaciones Nucleares de Rusia (MEPhI), Serguéi Popruzhenko.

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El desarrollo de la ciencia sobre láseres permitirá crear, en un futuro, el reloj que se atrasa un microsegundo en toda la vida del universo y reacciona ante cualquier cambio de gravitación, señala el director interino del Instituto de Tecnologías de Láser y Plasma de la MEPhI (Instituto LaPlas), Andréi Kuznetsóv.

"¿Para qué sirve? Resulta que al aprender a medir el tiempo con tanta precisión, podemos medir los cambios locales del campo gravitacional de la Tierra, lo cual, a su vez, ayuda a encontrar los yacimientos de recursos naturales. El campo gravitacional depende de la densidad. Por eso, cuando cambia la densidad de la roca debido a que existe, por ejemplo, un depósito petrolífero en este lugar, afectará el campo gravitacional. De esta manera, con la ayuda del reloj podremos descubrir los yacimientos de petróleo, gas, metales pesados, tierras raras y hasta crear mapas gravitacionales que usarán buques subterráneos", aclara el interlocutor.

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El reloj de láser contribuirá al desarrollo de la ciencia fundamental. Existe la hipótesis de que la expansión del universo causa modificación en las constantes fundamentales: la constante de Planck, la masa y la carga del electrón. Para probar la hipótesis hace falta realizar mediciones de tiempo ultraprecisas o ultraduraderas, posibles con el reloj de láser ultraestable.

"Los científicos de la MEPhI han obtenido justo este año el resultado que permite confiar en que semejantes experimentos fundamentales sean posibles. Es un trabajo de alta calidad realizado conjuntamente con el Instituto de Física 'Lébedev' de la Academia Rusa de las Ciencias", señaló Andréi Kuznetsov.

La mayoría de los experimentos de física láser exige una potencia e intensidad del haz láser muy altas. La mejor herramienta para la compresión no explosiva de materia son los haces láser con una potencia de teravatios (1TW=10¹²W) o pentavatios (1PW=10¹⁵W).

"Son valores colosales, sobre todo si nos damos cuenta de que la potencia de la mayor central hidráulica en el mundo no supera un 0.05 TW. Con estos haces en el laboratorio se puede obtener y analizar la materia con la presión y la temperatura tan altas que se alcanzan solo en el interior de las estrellas. Suena paradójico pero el láser, junto al telescopio, se está convirtiendo en una de la principales herramientas para investigar el espacio lejano", explicó Serguéi Popruzhenko.

Calentar y mantener

Un mayor compresión de la materia con el rayo láser permitirá calentarlo hasta centenares de millones de grados, cuando es posible que se dé la reacción de fusión nuclear dirigible.

"Dominar la energía de fusión es una tarea que la humanidad viene solucionando desde hace más de seis décadas. El hombre, en la historia moderna, aprendió a usar la energía de fusión en la bomba pero no con fines pacíficos, ya que no conseguimos resolver el problema de mantener y utilizar la colosal energía emitida durante la reacción de fusión nuclear", apunta Andréi Kuznetsov.

Para la fusión nuclear es necesario acercar dos núcleos ligeros que formarán uno más pesado. Para superar la barrera de Coulomb (los núcleos con la carga positiva se repelen entre sí), hay que comunicar a los núcleos una energía cinética correspondiente a la temperatura de materia superior a 100 millones de grados (estas temperaturas en el universo existen solo en los núcleos de las estrellas), y es un gran problema científico y técnico. Lo intentan solucionar de dos formas.

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La primera es calentando y manteniendo el plasma caliente mediante campos magnéticos en el aparato de tokamak. La segunda supone que una instalación láser con una energía mayor a megajoule en el impulso transmitirá, durante unos nanosegundos, varios milímetros cúbicos de energía en el combustible a base de isótopos de hidrógeno (deuterio y tritio). El combustible deberá comprimirse y, a la vez, calentarse hasta la temperatura necesaria para la reacción nuclear, luego quemarse por completo emitiendo la energía en forma de cuantos gamma y partículas alfa.

"¿Cuáles son las ventajas de los reactores de fusión nuclear comparando con los nucleares? A diferencia del uranio, las reservas de deuterio bastarán para millones de años, es decir, obtenemos una fuente eterna de energía. Por otro lado, la energía de fusión permitirá crear nuevos propulsores y realizar el sueño de la humanidad: llevar a los humanos no solo a Marte, sino a otros rincones del sistema solar y fuera de él", concluye Andréi Kuznetsov.

Cuando las leyes de la física dejan de funcionar

Los láseres pueden acelerar las partículas cargadas, como lo hacen los aceleradores lineales, sincrotrones y ciclotrones. Para ello deben alcanzar no solo una alta energía en el impulso sino también una alta intensidad: el impulso debe ser muy corto y muy enfocado.

Entre las ventajas de aceleración de las partículas cargadas por láser están la posibilidad de acelerar a la vez los electrones y los iones, menores dimensiones y coste de los aceleradores por láser en comparación con los convencionales, la posibilidad de alcanzar valores récord de aceleración y actuar sobre el plasma denso.

"Es especialmente importante que el aumento de la intensidad máxima de la radiación láser en 3 o 4 órdenes de magnitud permitirá crear condiciones absolutamente singulares. En ellas podría generarse el plasma electrón-positrón fotónico ultradenso, una materia que pudo haber existido en el momento de nacer el universo. En este plasma, la radiación electromagnética está tan fuertemente ligada a la materia que las leyes convencionales de electrodinámica, también la cuántica, dejan de ser aplicables. Las propiedades del plasma en cuestión son, de momento, incomprensibles. ¡Un raro ejemplo de la física realmente fundamental!", subraya Serguéi Popruzhenko.

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La construcción de las instalaciones láser capaces de emitir radiación tan intensa se producirá en un futuro próximo, aunque no el más próximo. Es posible que las intensidades necesarias para obtener el plasma electrón-positrón-fotónico a partir del vacío se alcancen dentro de 10 o 20 años. Pero las investigaciones del comportamiento de la materia y del vacío con las intensidades ultraaltas se están realizando ya.

Algunos efectos relacionados con la influencia de la fuerza de fricción radiactiva (en particular el nuevo mecanismo de aceleración de protones predicho por los físicos teóricos de la MEPhI) podrán observarse muy pronto: para ello son necesarios los campos de láser de 10²³-10²⁴W/cm² de intensidad. De momento estos valores son inalcanzables, pero podrán obtenerse en las nuevas instalaciones láser que se están construyendo en Chequia, Francia, China y otros países y superarán en potencia los existentes en uno o dos órdenes de magnitud. Se espera que se pondrán en marcha dentro de algunos años.

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La MEPhI colabora activamente con muchos laboratorios de láser, incluido el Centro de Investigaciones ELI Beamlines en Praga, donde se está montando uno de los láseres más potentes. Varios graduados y empleados del Instituto LaPlas trabajan en ELI Beamlines y visitan la MEPhI para realizar algunos experimentos.