Sirius: a superfonte de luz síncrotron no Brasil

Publicado em 20/05/2016
Revista Pré-Univesp em 20/05/2016

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A luz síncrotron é um tipo de radiação eletromagnética produzida em grandes máquinas que aceleram partículas. Elétrons de alta energia são mantidos em um grande sistema de circulação guiado por uma rede magnética. Quando essa trajetória é desviada, eles emitem uma radiação convertida em fótons com diferentes frequências – do infravermelho até o raio-X – capaz de atravessar materiais densos e, com isso, visualizar sua estrutura em níveis nanométricos. As principais aplicações de luz síncrotron estão nas áreas de física da matéria condensada, ciência dos materiais, biologia, agricultura e medicina. O Brasil é o único país da América Latina que possui essa tecnologia. Instalada no Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS), em Campinas, interior de São Paulo, desde 1997, a máquina chamada UVX colabora para o desenvolvimento de mais de 400 estudos por ano. Porém, a crescente demanda por pesquisas mais complexas levou o LNLS a desenvolver um acelerador mais moderno e potente. Foi assim que surgiu o Sirius, um acelerador de última geração que, a partir de 2018, colocará o Brasil na fronteira das pesquisas com emissão síncrotron. Na entrevista a seguir, Antônio José Roque da Silva, físico e diretor do LNLS, conta como funciona essa tecnologia, como será o processo de construção do superacelerador e quais os benefícios de um investimento que, entre os primeiros esboços do projeto e seu funcionamento, consumirá em torno de dez anos de trabalho e R$1,3 bilhão.

 

Pré-Univesp: O senhor poderia explicar como funciona o acelerador de luz síncrotron?

José Roque: O objetivo do síncrotron é gerar luz (radiação eletromagnética), principalmente em faixas de frequência como o raio-X e a ultravioleta. Se você pensar em fontes visíveis, temos o laser, por exemplo, como fonte de alto brilho. Para o raio-X e a ultravioleta não temos boas fontes. Uma maneira de gerar esta radiação é acelerando elétrons a uma velocidade próxima à da luz. Em princípio eles andariam em linha reta. Mas, quando você desvia a trajetória com campos magnéticos, você “curva” a trajetória – o que gera a emissão de radiação. E essa radiação é altamente focalizada, portanto, vai ter alto brilho (que chamamos de baixa emitância). O espectro emitido dessa radiação vai até o raio-X. Dependendo do valor do campo magnético local e da energia dos elétrons, é possível ter raios-X de alta energia. Significa que a frequência da onda desse espectro será alta, o que faz com que os fótons associados a essa radiação tenham mais energia para penetrar materiais. Quanto maior a energia do raio-X, maior seu poder de penetração em materiais mais densos. Por isso ele é usado para verificar se quebramos os ossos: ele atravessa o nosso corpo. Se eu quero penetrar uma rocha, uma chapa de aço, eu preciso de um raio-X de maior frequência.

Pré-Univesp: O que levou o LNLS a propor um projeto da dimensão do Sirius?

José Roque: O Sirius é a evolução de uma tecnologia que usamos hoje no LNLS, o UVX, a primeira fonte de luz síncrotron na América do Sul. Na época, não foi possível construir uma máquina de última geração. Mas já era claro que, se o projeto tivesse sucesso, com o tempo, teria que passar por uma modernização para manter o programa vivo. O UVX, então, foi expandindo suas capacidades, com mais linhas de luz e aumentando o número de usuários. E esses avanços, somados à sofisticação dos experimentos e ao fato de que a máquina que funciona hoje é de uma geração menos competitiva, levaram os próprios usuários a demandar atualizações para incorporar características que permitissem pesquisas mais complexas. Em 2008, a proposta foi apresentada ao Ministério de Ciência, Tecnologia e Inovação (MCTI), solicitando recursos para o projeto de um novo acelerador e, em 2009, começamos a trabalhar mais intensamente no projeto. Posteriormente, um comitê internacional nos ajudou a definir o projeto final do Sirius, uma das primeiras máquinas de quarta geração no mundo, com ultrabaixa emitância e que será uma referência internacional.

Pré-Univesp: Como será o processo de construção do Sirius? E quando começa a funcionar?

José Roque: O projeto se divide em três vertentes: a construção civil (prédio, subestação de energia etc.); os aceleradores, que compõem a fonte de radiação síncrotron propriamente dita (são três aceleradores – linear, booster e principal – e linhas de transporte entre eles); e as linhas de luz, onde se utiliza a radiação síncrotron. As três devem caminhar juntas, cada uma com um coordenador. A construção civil teve início em dezembro de 2014, com expectativa de conclusão em 40 meses. É um projeto longo, uma obra extremamente complexa, com necessidade de estabilização de estrutura, um piso especial, que sustente as vibrações. A construção dos aceleradores será feita, na maior parte, pelo LNLS. Em muitos casos, com parceiros de empresas nacionais. Alguns poucos componentes, como o acelerador linear, serão comprados no exterior. O Sirius poderá ter até 40 linhas de luz. A primeira fase prevê a construção de 13 linhas, que serão capazes de cobrir todas as técnicas que existem hoje. Nossa expectativa é que as atividades possam ter início em 2018.

Pré-Univesp: Por que a construção necessita de um piso especial?

José Roque: O Sirius está sendo projetado para ser uma máquina de ultrabaixa emitância, isso significa que o feixe de elétrons será muito pequeno. Esse feixe é guiado por ímãs, em uma rede magnética. Esses ímãs estão apoiados no chão, que vibra. O piso tem que ser especial para amortecer essa vibração, porque, caso contrário, isso perturba o feixe e estraga o tamanho da emitância, que fica maior do que desejamos.

Pré-Univesp: O Sirius começará a operar com 13 linhas de luz, depois passará a 40. O que são essas linhas de luz?

José Roque: Os elétrons precisam ser acelerados e mantidos em circulação em um tubo de vácuo, guiados por uma rede magnética. Cada vez que têm a trajetória desviada, eles emitem radiação, que sai na tangente da trajetória. Então você “abre um buraco” na câmara de vácuo em que os elétrons circulam, que deixa essa radiação sair. E essa radiação, que será utilizada nos experimentos, é coletada nas chamadas linhas de luz. Então você tem que pegar essa radiação e condicioná-la de forma apropriada, com espelhos, fendas, monocromadores, para selecionar as frequências de interesse e fazer com que o feixe de raios-X ou ultravioleta chegue de forma apropriada na amostra. É na linha de luz que a radiação segue sua trajetória. Para um dado acelerador, é possível ter várias linhas de luz em que todos os grupos trabalham de forma simultânea. Quanto mais linhas de luz, maior é o ganho de escala da utilização do investimento no acelerador, pois mais pesquisas podem ser feitas com menor gasto de energia dos aceleradores.

Pré-Univesp: O senhor poderia explicar a diferença entre o Grande Colisor de Hádrons (LHC) [do CERN – Organização Europeia para a Pesquisa Nuclear, localizado na Suíça] – ou outros colisores – e o acelerador Sirius?

José Roque: O LHC é um colisor. Seu objetivo é acelerar prótons ou núcleons para colidirem uns com os outros e, então, estudar sua estrutura interna no nível de quarks. No acelerador síncrotron, apesar de ter estruturas semelhantes, a finalidade é completamente diferente: não se trata de colidir nada, mas, sim, gerar radiação síncrotron. A intenção, portanto, é manter os elétrons estáveis ao longo de sua trajetória, para que eles emitam a radiação. Isso muda completamente a escala e as partículas de energia. O LHC tem 27 quilômetros de extensão, o Sirius vai ter 520 metros de perímetro. O Síncrotron atua em uma escala de átomos, moléculas, reações químicas ou, ainda, em escala de nanômetros ou atômica, que podem ser aplicadas em várias áreas do conhecimento. Os colisores, por outro lado, caminham para uma escala subnuclear, para observar a estrutura mais fundamental da matéria, do universo.

Pré-Univesp: Qual é a área da ciência hoje em dia que mais utiliza a luz síncrotron?

José Roque: Atualmente, temos cerca de 400 pesquisas desenvolvidas por ano aqui, envolvendo em torno de 1,2 mil pessoas. Por volta de 80% dos estudos são do Brasil, 20% exterior, principalmente América do Sul. Das pesquisas brasileiras, 50% são do Estado de São Paulo, a outra metade do resto do Brasil. As pesquisas são variadas; a maioria é relacionada à área de Física e estudos de materiais; mas temos pesquisas em Química, agricultura, Biologia (molecular estrutural), Paleontologia, polímeros, nanoestruturas etc. A área de Medicina tem crescido bastante. Recentemente abrimos uma linha dedicada a imagens. Nessa área é possível estudar tecidos, estrutura de neurônios no cérebro, do ponto de vista anatômico. Outras linhas permitem o estudo da composição química.

Pré-Univesp: Existe alguma área de estudo, algum projeto em especial, para o qual o LNLS acredita que o Sirius será crucial?

José Roque: O síncrotron é uma ferramenta que pode atuar em qualquer área do conhecimento. Existem áreas de pesquisa que acreditamos que o Sirius pode ter um impacto grande. Como casos estratégicos para o Brasil, temos pesquisas na área da saúde – proteínas e estruturas de células; agricultura – sementes e fibras de celulose; na área de energia – rochas da camada pré-sal, bioenergia, baterias. O Sirius foi projetado para auxiliar os pesquisadores na busca de soluções para esses problemas.

Pré-Univesp: O que se pode esperar de retorno de um projeto dessa magnitude no Brasil?

José Roque: Em primeiro lugar temos o retorno direto da pesquisa. Sendo um dos equipamentos mais sofisticados disponíveis no mundo, ele permitirá um avanço na qualidade de pesquisas de grupos brasileiros, que poderão desenvolver determinadas pesquisas com maior qualidade e menor tempo, sem limitações de equipamento. Hoje em dia, temos experimentos que precisam ser feitos no exterior porque nossa máquina não comporta. O segundo avanço está no envolvimento de empresas brasileiras na fabricação de equipamentos para a construção da máquina. A terceira é a internacionalização: por ser um dos poucos equipamentos do mundo com essa tecnologia, ele passa a atrair pesquisadores do mundo todo que hoje não teriam interesse em desenvolver pesquisa aqui no Brasil. Isso, se bem acoplado com pesquisas nacionais, permite uma maior interação com a comunidade internacional. E, em quarto lugar, a visibilidade, mostrar que é possível ter pesquisas desse nível tecnológico no país e ver matérias sobre o Sirius em revistas científicas renomadas como a Nature. Ele abre um conjunto grande de áreas de pesquisa, que interessam não apenas ao Brasil, mas ao mundo

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