Μέσα σε ένα ερευνητικό εργαστήριο στο Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν, ένα έντονο πράσινο φως λέιζερ γεμίζει τον θάλαμο κενού ενός τεχνολογικού κολοσσού. Έχει το μέγεθος δύο γηπέδων τένις. Οι τοίχοι είναι θωρακισμένοι με σκυρόδεμα 60 cm (24 ίντσες) για να σταματήσει η διαρροή ακτινοβολίας και το προσωπικό φορά μάσκες και δίχτυα μαλλιών για να διασφαλίσει ότι δεν επηρεάζονται τα ευαίσθητα ηλεκτρονικά.
Αυτός είναι το Zeus, το πιο ισχυρό λέιζερ στις ΗΠΑ – και αυτόν τον μήνα, έρχεται στη ζωή. Σε αντίθεση με τα συνεχόμενα λέιζερ που σκανάρουν τα barcode σας στα καταστήματα, το Zeus είναι ένα παλμικό λέιζερ, που εκτοξεύεται σε εκρήξεις μήκους μερικών πεμπτουσιοστών του δευτερολέπτου.
Κάθε δέσμη είναι ικανή να φτάσει σε μέγιστη ισχύ τριών petawatt, που ισοδυναμεί με χίλιες φορές την κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας όλου του κόσμου. Ένα λέιζερ ικανό για τέτοια εξαιρετικά συμπιεσμένη ενέργεια θα βοηθήσει τους ερευνητές να μελετήσουν τους κβαντικούς νόμους που στηρίζουν την πραγματικότητα, για παράδειγμα, ή να αναδημιουργήσουν τις συνθήκες της ακραίας αστροφυσικής εκεί έξω στο διάστημα.
Αλλά το Zeus δεν είναι το μόνο τεράστιο λέιζερ που θα μπορούσε να φέρει στο φως νέες ανακαλύψεις τα επόμενα χρόνια, ένα πλήθος άλλων λέιζερ υψηλής ισχύος σε εγκαταστάσεις από την Ευρώπη μέχρι την Ασία είναι στα σκαριά. Το πεδίο στο σύνολό του «αυξάνεται πραγματικά», λέει ο Karl Krushelnick, διευθυντής του Κέντρου Gérard Mourou για την υπερταχεία οπτική επιστήμη στο Πανεπιστήμιο του Michigan. «Οι άνθρωποι πιέζουν την τεχνολογία και αναζητούν μία ενδιαφέρουσα επιστήμη».
Στο Ηνωμένο Βασίλειο, ένα λέιζερ που ονομάζεται Vulcan 20-20 θα γίνει το πιο ισχυρό στον κόσμο όταν τελειώσει το 2029. Θα παράγει μια δέσμη δισεκατομμύρια φορές φωτεινότερη από το πιο έντονο ηλιακό φως. Αυτός ο μεμονωμένος παλμός θα παράγει περισσότερο από έξι φορές περισσότερη ενέργεια από ό,τι παράγεται σε ολόκληρο τον κόσμο, αλλά θα διαρκεί λιγότερο από ένα τρισεκατομμυριοστό του δευτερολέπτου, με τον στόχο του να μετράει μόλις λίγα μικρόμετρα (ή 0,001 του χιλιοστού).
Όπως το Zeus, το Vulcan 20-20 θα προσκαλέσει επιστήμονες από όλο τον κόσμο να αναλάβουν πειράματα που μπορεί να ξαναγράψουν την κατανόησή μας για το σύμπαν, την πυρηνική σύντηξη και ακόμη και να δημιουργήσουν νέα ύλη.
Το 20-petawatt Vulcan 20-20 είναι μια αναβάθμιση 85 εκατομμυρίων λιρών (106 εκατομμύρια $/98 εκατομμύρια ευρώ) στο υπάρχον Vulcan στην Κεντρική Εγκατάσταση Λέιζερ (CLF) στο Χάργουελ του Οξφορντσάιρ – το οποίο αποσυναρμολογείται. Επί του παρόντος έχει το μέγεθος δύο πισινών ολυμπιακών διαστάσεων, οι καθρέφτες του πλάτους μέτρου ζυγίζουν 1,5 τόνους (3.300 λίβρες) το ένα.
Χοντρά λευκά καλώδια βγαίνουν από το άνοιγμα του λέιζερ, καθώς η συσκευή λυγίζει γύρω από το δωμάτιο. Θεωρούμενο τελευταίας τεχνολογίας όταν κατασκευάστηκε για πρώτη φορά στο εργαστήριο Rutherford Appleton το 1997, το νέο λέιζερ θα είναι 100 φορές πιο φωτεινό. «Το εντυπωσιακό δεν είναι μόνο η δύναμη, αλλά μάλλον η ένταση του λέιζερ» λέει ο Rob Clarke, επικεφαλής της πειραματικής επιστημονικής ομάδας στο CLF.
Για να κατανοήσετε αυτή την ένταση, φανταστείτε 500 εκατομμύρια τυπικούς λαμπτήρες 40W. Τώρα «συμπιέστε αυτό το φως σε κάτι περίπου στο ένα δέκατο του μεγέθους μιας ανθρώπινης τρίχας», λέει. «Το αποτέλεσμα αυτού είναι μια πολύ, πολύ έντονη πηγή φωτός, και είναι αυτή που δημιουργεί όλα τα διασκεδαστικά στοιχεία πλάσματος, όπως τεράστια ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία, [και] επιτάχυνση σωματιδίων».
Το Vulcan 20-20 θα επιτρέψει στους επιστήμονες να διεξάγουν αστροφυσική έρευνα στο εργαστήριο – αναδημιουργώντας τις συνθήκες μακρινών γαλαξιών για να αναλύσουν την εσωτερική λειτουργία άστρων ή νεφών αερίων ή πώς μπορεί να συμπεριφέρεται η ύλη όταν εκτίθεται σε συγκεκριμένες θερμοκρασίες και πυκνότητες. Το πεδίο μελέτης καθοδηγείται από την επιθυμία να διερευνηθεί το σύμπαν, εξηγεί ο Alex Robinson, ο επικεφαλής θεωρητικός φυσικός πλάσματος του CLF.
«Η αστροφυσική έρευνα είναι συνήθως «παρατηρητική». «Στρέφετε ένα είδος τηλεσκοπίου προς το μέρος του, και βλέπετε διάφορα πράγματα. Αλλά αυτό στη συνέχεια θέτει το ερώτημα για το τι πραγματικά συμβαίνει». Η ελπίδα είναι ότι η διεξαγωγή πειραμάτων με ένα λέιζερ τέτοιας ισχύος θα επιτρέψει, για πρώτη φορά, «πραγματικά αυστηρές δοκιμές για το εάν ορισμένες θεωρίες θα μπορούσαν ποτέ να λειτουργήσουν ή όχι».
Μεταξύ των μυστηρίων που ελπίζουν να διερευνήσουν στην Οξφόρδη είναι η προέλευση των μαγνητικών πεδίων, τα οποία περιβάλλουν την πλειοψηφία των ουσιαστικών αντικειμένων στο Σύμπαν, όπως αστέρια και πλανήτες. «Γιατί υπάρχουν εκεί αυτά τα μαγνητικά πεδία; Δεν είναι εντελώς προφανές;» λέει ο Robinson, και καμία παρατήρηση δεν μπορεί ποτέ να πάει πίσω και να ελέγξει γιατί πρωτοεμφανίστηκαν.
Μια τέτοια μέθοδος δοκιμής μπορεί να περιλαμβάνει τη συγχώνευση ύλης για τη δημιουργία κρουστικών κυμάτων και την προσθήκη κατασκευασμένων αναταράξεων , όπως τα είδη που προκαλούνται από μοριακά σύννεφα, πλανήτες και σκόνη, για να δούμε αν αυτό «θα μπορούσε να προκαλέσει μαγνητικά πεδία». Άλλα πειράματα θα διερευνήσουν την προέλευση των κοσμικών ακτίνων (σωματίδια υψηλής ενέργειας που μπορούν να ταξιδέψουν σχεδόν με την ταχύτητα του φωτός), πώς σχηματίζονται οι πίδακες (ψεκασμοί σωματιδίων που εκτοξεύονται από συγκρούσεις υψηλής ενέργειας) και τη δομή μέσα σε γιγάντιους πλανήτες.
Οι ερευνητές θα χρησιμοποιήσουν επίσης το λέιζερ Vulcan 20-20 για να διερευνήσουν το σχηματισμό νέων υλικών. Μια μορφή νιτριδίου του βορίου, ένα υλικό πιο σκληρό από το διαμάντι, έχει δυνητικά βρεθεί ότι είναι μετασταθερό – που δημιουργείται σε συνθήκες πολύ υψηλής πίεσης και έντασης που κατασκευάζονται στο εργαστήριο, το οποίο μπορεί στη συνέχεια να επιβιώσει σε θερμοκρασίες περιβάλλοντος. «Και τότε το ερώτημα είναι, ποια άλλα υλικά θα μπορούσατε να φτιάξετε με τον ίδιο τρόπο;» λέει ο Robinson.
«Θα είχαν φανταστικές ηλεκτρονικές ή οπτικές ιδιότητες; Δεν ξέρω. Αλλά τουλάχιστον υπάρχει ένα ψήγμα εκεί που μας λέει ότι υπάρχει κάτι που αξίζει να εξερευνήσουμε».
Επίτευξη σύντηξης
Η πυρηνική σύντηξη είναι επίσης στη λίστα επιτυχιών των λέιζερ εξαιρετικά υψηλής ισχύος. Τον Ιούλιο, ερευνητές στο National Ignition Facility του Lawrence Livermore National Laboratory, στην Καλιφόρνια, χρησιμοποίησαν λέιζερ για να επιτύχουν καθαρό κέρδος ενέργειας για δεύτερη φορά. Μετά την αρχική ανακάλυψη του κέντρου τον περασμένο Δεκέμβριο, το πείραμα φέτος δημιούργησε υψηλότερη ενεργειακή απόδοση από το πρώτο, δημιουργώντας και πάλι ελπίδες ότι η καθαρή ενέργεια θα μπορούσε να αντικαταστήσει τις υπάρχουσες πηγές ενέργειας.
Η σύντηξη ήταν επίσης ένας από τους βασικούς τομείς μελέτης στον κόμβο Extreme Light Infrastructure for Nuclear Physics (ELI-NP) στο Măgurele της Ρουμανίας, το οποίο με ισχύ 10 petawatt διατηρεί τον τίτλο του πιο ισχυρού λέιζερ στον κόσμο (Mourou, διευθυντής του και συνονόματη της εγκατάστασης του Πανεπιστημίου του Μίσιγκαν, είπε ότι η δημιουργία της είναι «ισότιμη με μια προσγείωση στη Σελήνη, όπου η αποτυχία δεν αποτελεί επιλογή»).
Τον περασμένο χρόνο, ο χειριστής του ρουμανικού λέιζερ άρχισε να συνεργάζεται με ιδιωτικές εταιρείες για την ανάπτυξη τεχνολογίας που θα μπορούσε να τροφοδοτήσει τις πρώτες εμπορικές μονάδες σύντηξης στον κόσμο. Χρησιμοποιώντας την τεχνική “Chirped Pulse Amplification” που κέρδισε τη Mourou και τη Donna Strickland το βραβείο Νόμπελ Φυσικής το 2018, οι παλμοί λέιζερ θα τεντωθούν, μειώνοντας τη μέγιστη ισχύ τους, προτού ενισχυθούν και συμπιεστούν ξανά.
Αυτό «άλλαξε αρκετά την όψη της ανάπτυξης λέιζερ στο σύνολό της», λέει ο Clarke, επιτρέποντας την επίτευξη πολύ υψηλότερων εντάσεων με χαμηλή ισχύ (οι υψηλότερες κινδυνεύουν να καταστρέψουν “την ποιότητα του παλμού λέιζερ και ακόμη και την ίδια την αλυσίδα του λέιζερ εάν πιέσετε είναι πολύ δύσκολο», λέει ο Clarke).
Η έρευνά τους στις φυσικές διαδικασίες αυτής της αλληλεπίδρασης αναμένεται να δημοσιευθεί σε τρία χρόνια, πριν από την κατασκευή των πρώτων εμπορικών σταθμών ηλεκτροπαραγωγής σύντηξης στη δεκαετία του 2030.
Το μεγαλύτερο λέιζερ είναι και καλύτερο λέιζερ;
Οι φυσικοί θέλουν να δώσουν έμφαση στη συνεργατική φύση του πεδίου – αλλά το μέγεθος εξακολουθεί να είναι κάτι σαν καύχημα. Σύμφωνα με τον Chang Hee Nam, διευθυντή του Κέντρου Σχετικιστικής Επιστήμης Λέιζερ (CoReLS) στη Νότια Κορέα και καθηγητή στο Ινστιτούτο Επιστήμης και Τεχνολογίας Gwangju, το λέιζερ τους αυτή τη στιγμή «κατέχει το ρεκόρ λέιζερ υψηλότερης έντασης» στον κόσμο, φτάνοντας τα 10^23 W /sq cm – ή μια ένταση τόσο ισχυρή όσο όλο το φως στη Γη εστιασμένο σε λίγο περισσότερο από ένα μικρόμετρο ή λιγότερο από το ένα πενήντα της διαμέτρου μιας ανθρώπινης τρίχας.
Οι Νοτιοκορεάτες επιστήμονες χρησιμοποιούν την τεχνολογία για να εξερευνήσουν, μεταξύ άλλων, τη θεραπεία πρωτονίων – μια θεραπεία για τον καρκίνο που στοχεύει θετικά φορτισμένες δέσμες στους όγκους των ασθενών. Έρευνες που μπορούν να αποφέρουν νέες ιατρικές εφαρμογές, μαζί με τη δοκιμή ιδεών αιώνων για την κατάσταση του Σύμπαντος, έχουν διερευνηθεί καλά στη μηχανή τεσσάρων petawatt της CoReLS – αλλά η ομάδα δεν σταματά εκεί.
Ο Nam λέει ότι «πιέζουμε τώρα να έχουμε ένα λέιζερ υψηλότερου petawatt. Ετοιμάζουμε κάποιες προτάσεις για μια δέσμη λέιζερ 25 petawatt». Αν τεθεί σε λειτουργία μέσα στα επόμενα έξι χρόνια, όπως ελπίζει, θα κάνει το άκτιστο Vulcan 20-20. Ωστόσο, ο Clarke του Vulcan λέει ότι η δύναμη και η ένταση δεν είναι το παν.
Η πιο σημαντική μέτρηση τώρα είναι το «Τι μπορείτε να κάνετε με αυτό; Τι επιστήμη οδηγείτε; Τι θα βγάλετε από αυτό»; Αυτά τα λέιζερ, και οι ερευνητές που εργάζονται σε αυτά, νοιάζονται για ένα πράγμα πάνω από όλα, λέει. «Είναι να το χτίσεις σωστά και να το χρησιμοποιήσεις σωστά».
Πηγή: BBC.COM
*Photo Credits: Shutterstock
