El Sol en el laboratorio
Un equipo internacional de investigadores, liderado por un argentino, consiguió obtener condiciones extremas de la materia que, en un futuro cercano, permitirán recrear en el interior de un laboratorio lo que ocurre en el centro de una estrella. El trabajo fue publicado en la prestigiosa revista científica Science Advances y abre las puertas a importantes aplicaciones tecnológicas.
Representación de la matriz de nanohilos creada por los investigadores. La imagen muestra el momento en que ésta es irradiada por un pulso de láser con el fin de obtener materia de ultra-alta densidad de energía. Imagen: R. Hollinger y A. Beardall
En lo más profundo de una estrella la materia se encuentra en condiciones extremas: la temperatura es de millones de grados Celsius y la presión alcanza los billones de atmósferas (considérese que en la superficie de la Tierra la presión con la que habitualmente convivimos es de una atmósfera).
En los últimos años, las condiciones más extremas de la materia, conocidas como de “ultra alta densidad de energía”, fueron reproducidas experimentalmente en pocos lugares de nuestro planeta mediante el uso de los láseres de más alta energía del mundo. Pero, para ello, debieron construirse grandes edificios que pudieran albergar láseres de gran potencia, los cuales requieren de espacios del tamaño de un estadio de fútbol.
Uno de los tantos objetivos de estos experimentos es producir reacciones de fusión nuclear de manera controlada, cuya última finalidad es lograr una fuente alternativa de generación de energía a gran escala.
Para conseguir experimentalmente esas presiones y temperaturas extremas se emplea la energía contenida en los rayos láser, con los que se irradia un dispositivo pequeño y con ciertas propiedades. Cuando la energía llega a la superficie del material, ésta se calienta y pasa a un estado gaseoso particular denominado “plasma”.
Para que este gas sea muy caliente y muy denso, de manera que en su interior se puedan alcanzar las condiciones extremas deseadas, los métodos utilizados hasta ahora irradian el dispositivo con varios “láseres ultra intensos” (los más grandes del mundo) que utilizan un complejo sistema de amplificación. Como después de cada disparo los láseres se tienen que enfriar, el experimento se puede repetir sólo unas pocas veces por día.
Ahora, mediante un novedoso diseño experimental, un grupo de científicos de Argentina, Alemania y Estados Unidos, dirigido por el físico argentino Jorge Rocca, consiguió recrear estas condiciones extremas. La particularidad es que pudieron hacerlo dentro de un laboratorio universitario, porque la nueva metodología emplea un láser mucho más compacto.
El trabajo, que acaba de publicarse en la prestigiosa revista científica Science Advances, facilita el camino para la investigación básica y para el desarrollo de importantes aplicaciones tecnológicas.
Hilando fino
La producción de plasma mediante rayos láser tiene un límite. Cuando la densidad del gas llega a un valor determinado, denominado “densidad crítica”, la luz del láser no puede penetrarlo y, por lo tanto, no puede llegar a la superficie del material para seguir calentándolo.
Un punto clave del nuevo desarrollo es que se pudo esquivar esta barrera física mediante un diseño original de la superficie que se va a irradiar. “Nosotros diseñamos una superficie a irradiar que nos permite lograr una mayor eficiencia en la formación de plasma”, consigna María Gabriela Capeluto, investigadora del CONICET en el Departamento de Física de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales de la UBA y una de las autoras del estudio. “Eso nos permite utilizar pulsos ultra cortos de láseres compactos a alta repetición, por ejemplo un pulso por segundo, para generar un plasma con alta densidad, alta presión y alta temperatura”, completa.
Los investigadores fabricaron una superficie sobre la que se hallan alineados lo que ellos llaman “nanohilos”. Estos “hilos” tienen un diámetro del orden de los nanómetros (un nanómetro es la milmillonésima parte del metro) es decir, son muchísimo más delgados que un cabello, y están alineados verticalmente como si fueran “columnas”, formando una matriz hexagonal.
“De esta manera, lo primero que se calienta es la punta de los nanohilos y el plasma se forma primero allí, indica Capeluto. “Entonces, antes de que el gas que se formó en las puntas cierre el intersticio que hay entre ellas y no deje pasar más luz, un pulso ultra corto del láser puede penetrar en la matriz de nanohilos, y la energía del láser puede seguir transformando al material en plasma”, describe. “De este modo, logramos una mayor eficiencia en la conversión del material sólido en plasma de altísima temperatura y gran densidad”, explica. “Este procedimiento posibilita que el plasma alcance mayor presión y un espesor mayor que si se irradiara una superficie plana”, concluye.
Las aplicaciones potenciales de esta metodología van más allá de lograr la fusión nuclear controlada. “También, estos experimentos son una fuente de generación de rayos X intensos que permitirían, por ejemplo, imágenes de alta resolución de objetos pequeños con alta resolución temporal”, comenta Capeluto.
Además, facilita la investigación básica, tanto para quienes estudian las estrellas como para quienes investigan en el campo de la física de altas energías.
“La ventaja principal de nuestra metodología es que es mucho más accesible, tanto para la investigación básica como para la aplicada, porque se pueden realizar experimentos a una escala más chica, dentro de un laboratorio. Actualmente, estamos trabajando para escalar la potencia del láser a los valores que los modelos teóricos predicen que podrían generar presiones cercanas a la del Sol”.
