7 tecnologias incríveis desenvolvidas pelo NIF

Câmara na qual o alvo fica posicionado para ser atingido pelo laser. (Fonte da imagem: Reprodução/NIF)

O Laboratório Nacional Lawrence Livermore, sediado na Califórnia, nos EUA, é um dos mais renomados institutos de pesquisa do mundo.

Ele ficou muito conhecido após anunciar o National Ignition Facility, ou simplesmente NIF, aquele que é considerado o laser mais potente do planeta.

Contudo, para que essa tecnologia — que possui instalações do tamanho de quase três estádios de futebol americano — fosse desenvolvida, a equipe de engenheiros, cientistas e técnicos precisou superar uma série de desafios, originando outros equipamentos e técnicas que também merecem destaque.

O laser mais poderoso do planeta

O feixe de laser lançado pelo NIF é formado por 192 raios ultravioletas menores, os quais viajam 1,5 mil metros em 4,5 microssegundos, alcançam a temperatura de 100 milhões de graus Celsius (equivalente a mais de seis vezes o “calor” do núcleo do Sol) e quando combinados geram 2,03 megajoules — um recorde absoluto na área.

O prédio que abriga o complexo de operação do NIF corresponde a três estádios de futebol americano. (Fonte da imagem: Reprodução/NIF)

A proposta principal desse laser é ocasionar uma fusão nuclear em uma célula-combustível de hidrogênio comprimido, gerando ainda mais energia do que a que foi gasta para o seu disparo (cerca de 500 trilhões de watts). Assim, os cientistas poderiam desenvolver uma fonte de energia completamente limpa.

Além disso, o equipamento poderia ser usado para simular o que acontece dentro de uma arma nuclear e garantir que os mecanismos de desligamento desse tipo de armamento usado pelas Forças Armadas dos EUA são realmente eficazes. Agora, chegou a hora de você conhecer outras pesquisas relacionadas para a criação do NIF.

Um vidro com 2,5 km de comprimento

O sistema do National Ignition Facility utiliza 3.070 placas do chamado “vidro laser”, o qual consiste no vidro fosfato combinado com um aditivo químico de átomos de neodímio. Esse componente é essencial para o equipamento, pois é ele o responsável pela amplificação dos raios emitidos para que eles alcancem a energia necessária para a realização dos experimentos.

Cientistas precisaram otimizar o processo de produção do chamado "vidro laser". (Fonte da imagem: Reprodução/NIF)

O problema aqui é que cada uma dessas placas de vidro laser possui aproximadamente um metro de comprimento e 50 centímetros de largura. Assim, se colocadas em sequência, as placas chegariam a se estender por mais de 2,5 km. Com isso, o custo e o tempo de produção dos milhares de unidades seriam um empecilho para atender ao cronograma dos cientistas.

Em parceria com duas empresas, o instituto de pesquisa criou um novo método para que o vidro fosse produzido em uma única peça — bem comprida, como você deve imaginar. Depois de arrefecido, o material foi cortado e polido de acordo com as especificações necessárias para o NIF.

O botão liga e desliga

Um dos elementos-chave da seção de amplificação dos feixes de laser do NIF é um aparelho denominado Plasma Electrode Pockels Cell, ou PEPC. Esse aparato tem diversas placas de fosfato monopotássico de 40 cm² e trabalha junto com um polarizador. Na prática, ele funciona como um interruptor, “ligando e desligando” os feixes de laser.

Placa de fosfato monopotássico, usada no PEPC, passando por inspeção. (Fonte da imagem: Reprodução/NIF)

O PEPC permite que os raios entrem no sistema amplificador para em seguida alterar a polarização deles. Com isso, os feixes ficam “aprisionados” e começam a acumular energia. Após um determinado período, esse interruptor retoma a polarização original dos raios de laser, fazendo com que eles sejam redirecionados para o alvo com maior potência.

Modelação dos feixes de laser

O NIF usa 48 módulos pré-amplificadores, sendo que cada um deles fornece energia para quatro feixes de laser. Esses dispositivos recebem pulsos energéticos bem pequenos da sala do oscilador principal, os amplificam e transmitem a energia gerada para os 192 raios.

Os feixes passam por esse processo repetidamente até que estejam “modelados”, ou seja, obtenham a energia exigida pelo experimento em andamento e homogeneidade — o que significa que eles precisam ter a mesma densidade de energia em toda a sua extensão.

Espelho tortuoso

Os "espelhos deformáveis" fazem parte de uma das etapas finais de disparo do NIF. (Fonte da imagem: Reprodução/NIF)

Para assegurar essa homogeneidade dos feixes de laser, o NIF ainda conta com uma tecnologia batizada de “espelho deformável”, a qual é capaz de ter a sua superfície levemente dobrada para corrigir os erros das ondas de cada um dos raios que formarão o feixe de laser final.

Tal característica é de suma importância para que os resultados dos experimentos não sofram distorções pelo fato de o alvo ter sido atingido pelo laser com intersecções de maior e menor intensidade. A constância de energia nesse tipo de pesquisa é primordial para a coleta de dados mais precisa.

Acelerando o crescimento de cristais

Outra pedra no caminho do cronograma dos cientistas era a fabricação dos cristais de fosfato monopotássico, os quais são usados para a produção das placas que compõem os PEPCs e são responsáveis pela mudança na polarização dos feixes de laser.

Um único cristal de fosfato monopotássico pode pesar até 348 kg. (Fonte da imagem: Reprodução/NIF)

Normalmente, esses cristais, que podem atingir até 348 kg, levariam aproximadamente dois anos para obter a qualidade necessária para o processo realizado pelo NIF. Com prazos bem mais curtos, os cientistas foram obrigados a projetar um novo método para o “cultivo” desses componentes. No fim, eles conseguiram fazer com que os cristais estivessem prontos para serem fatiados em apenas dois meses.

Precisão micrométrica

A fim de estudos, o laser do NIF pode ser disparado sobre qualquer material. Porém, não basta pôr uma placa de ferro, por exemplo, no meio da câmera de alvo e acionar o equipamento. Para que os elementos químicos sejam avaliados, é preciso que os alvos (que possuem dimensões milimétricas) tenham especificações extremamente precisas e rígidas.

Exemplo de uma cápsula-alvo com apenas 2 mm de diâmetro. (Fonte da imagem: Reprodução/NIF)

Sempre que um experimento começa a ser planejado, o material a ser usado é analisado por um grupo de engenheiros que realizam os cálculos de densidade e de lisura da superfície do alvo.

A produção desses elementos não admite falha e trabalha com a precisão de um micrômetro. Qualquer imperfeição na produção desses alvos pode jogar todo um experimento, e os esforços investidos, no lixo. O “engraçado” nessa história é que o NIF possui dimensões gigantescas para um emissor de feixes de laser para acertar um alvo minúsculo.

Como fazer para comandar tudo isso?

Sala de operação do NIF. (Fonte da imagem: Reprodução/NIF)

Para coordenar esse laser extremamente complexo, o NIF também depende de um sistema computacional muito potente, e a rede de computadores criada para ele é uma das mais sofisticadas dos EUA — tanto entre os órgãos governamentais como entre as companhias privadas.

Durante um disparo do National Ignition Facility, são controlados e monitorados cerca de 60 mil pontos — entre dispositivos mecânicos, operação de softwares, fornecimento de energia, instrumentos de diagnósticos, entre outros. Com isso, os 850 computadores envolvidos nesse processo chegam a rodar 2 milhões de códigos de comando simultaneamente.