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Construyendo el láser más poderoso del mundo
Este marzo, los investigadores del Instalación Nacional de Ignición demostraron un láser de 1,1 megajulios diseñado para encender reacciones de fusión nuclear para 2010. Pero la tecnología de la instalación, que se encuentra en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore en California, aún no puede generar suficiente energía para impulsar una planta de energía práctica. Entonces, incluso mientras los físicos esperan la demostración del próximo año, están trabajando en láseres aún más poderosos que podrían hacer posible un método para una especie de fusión inducida por láser llamada ignición rápida.
Encender: Este láser puede emitir un pulso de luz de 200 julios que dura solo 100 femtosegundos. Los cables de la izquierda bombean energía a las lámparas de destellos verdes que bombean el láser.
Esta semana, en el reunión anual de El Sociedad de Óptica de América En San José, CA, investigadores de la Universidad de Texas presentaron planes para construir un láser de exavatios que sería tres órdenes de magnitud más poderoso que cualquier cosa que exista hoy. Los láseres más potentes de la actualidad funcionan en el orden de aproximadamente un petavatio, o 10 elevado a la potencia de 15 (un cuatrillón) de vatios. Un exavatio es de 10 a una potencia de 18 vatios. Los láseres de exavatios podrán concentrar ese poder en áreas que miden micrómetros, creando tremendas intensidades.
Una forma de aumentar la potencia de un láser es disminuir la duración del pulso del láser. Pero trabajar con pulsos de láser del orden de picosegundos o incluso femtosegundos es difícil porque dichos pulsos están formados por un amplio ancho de banda de frecuencias de luz que dañan el vidrio óptico, incluido el vidrio de fosfato que se usa a menudo para amplificar la luz láser, por ejemplo, en el National Ignition. Instalaciones.
Todd Ditmire , director del Grupo de Ciencia de Láser de Alta Intensidad de la Universidad de Texas en Austin, informó en la reunión de esta semana que un nuevo tipo de vidrio debería poder manejar los intensos pulsos de luz necesarios para crear un láser de exavatios. El vidrio se doparía y se usaría para crear dispositivos llamados amplificadores: cuando la luz de un láser incide en el amplificador de vidrio, los iones del vidrio absorben la luz y la vuelven a emitir a mayor energía. El vidrio es solo un anfitrión, es un material transparente que contiene los iones, dice Ditmire.
La ventaja de pegarse con vidrio en lugar de otro material es que los fabricantes pueden convertirlo fácilmente en dispositivos grandes, lo que aumenta la potencia del haz resultante. Por el contrario, el zafiro de titanio puede actuar como un amplificador para láseres de alta potencia, pero es difícil de fabricar en piezas grandes, dice Ditmire. Trabajando con el fabricante alemán Schott , el grupo de Texas ha comenzado a caracterizar las propiedades de su nuevo tipo de vidrio, que combina el silicato, el material que compone los objetos de vidrio cotidianos, con el elemento metálico tantalio. Ditmire dice que su grupo ahora está trabajando con Schott para crear piezas más grandes del material que se ensamblarán para hacer un prototipo de láser.
Ditmire espera que la primera aplicación de láseres de exavatios sea como fuente de energía para aceleradores de partículas médicos. Bombardear tumores con protones causa menos efectos secundarios que la terapia de rayos X porque los protones liberan su energía de una vez, sin afectar los tejidos circundantes. Sin embargo, la terapia de protones no se ha generalizado porque requiere grandes aceleradores de partículas. Los láseres compactos de exavatios deberían ser lo suficientemente potentes para acelerar los protones para la terapia médica.
Pero la aplicación potencial más interesante de los láseres de exavatios se encuentra en las plantas de energía de fusión que dependen de un proceso llamado encendido rápido. En las primeras etapas, la Instalación Nacional de Ignición utilizará láseres de petavatios para comprimir una pastilla de combustible de oro hasta que se caliente hasta los 100 millones de ° C, lo que desencadenará la fusión. También en la conferencia de esta semana, los investigadores de la instalación informaron que habían completado otro paso en el camino hacia las reacciones de fusión controladas, describiendo las pruebas preliminares de su sistema utilizando un pulso de 500.000 julios para implosionar una pastilla de combustible de fusión.
El encendido rápido funciona de manera diferente. En lugar de un solo pulso, la técnica usaría láseres de menor potencia para comprimir el combustible sin preocuparse por calentarlo, y luego un láser de pulso corto [exavatio] que actúa como una bujía, encendiendo la reacción de fusión, dice Ditmire.
Si esto funcionará es controvertido, admite Ditmire. Apuntar a un pulso tan corto podría ser problemático. Sin embargo, en teoría, el proceso de encendido rápido debería requerir menos energía para funcionar. La medida más importante del rendimiento de un reactor de fusión es su ganancia, o la relación entre la energía requerida para operar los láseres y la cantidad de energía producida por la reacción. El objetivo de la instalación de Livermore es una ganancia de 15 a 20. Se necesita una ganancia de 100 para hacer una planta de energía de fusión, y los cálculos muestran que los láseres de exavatios podrían obtenerla, dice Ditmire.
Pero el nuevo material de vidrio no es la única clave para construir un láser de exavatios. El grupo de Ditmire también ha tenido éxito con nuevas técnicas de amplificación para producir pulsos de muy corta duración utilizando los Láser de petavatios de Texas . Según Ditmire, el truco para hacer una potencia muy alta es una técnica llamada chirrido, en la que se separan diferentes frecuencias de luz, se pasan a través de amplificadores de vidrio y luego se pasan a través de un compresor para volver a unirlas en un solo pulso de mayor potencia. . El método del grupo de Texas combina diferentes tipos de amplificadores de vidrio para este proceso, lo que permite una mayor compresión de la luz y, por lo tanto, aumenta aún más la salida de potencia. En la reunión, Ditmire informó sobre el uso de esta técnica para crear pulsos de 100 femtosegundos.
Ditmire no es el único investigador que impulsa el desarrollo de láseres de exavatios. El inventor del chirrido, Gérard Mourou de la Ecole Polytechnique en Francia, encabeza un proyecto europeo de láser exawatt llamado O , o Infraestructura Ligera Extrema. El grupo europeo tiene previsto utilizar amplificadores de zafiro de titanio en lugar de vidrio convencional.