Síncrotron: acelerando elétrons em direção a um futuro brilhante

Acelerador de partículas é o nosso tema de hoje. Você provavelmente já ouvir falar nisso e pode ter ideia do que se trata. Todavia, há um tipo específico de acelerador sobre o qual vamos tratar neste artigo: o síncrotron.

Ainda este ano, fizemos um artigo comentando sobre o Sirius e dando algumas explicações sobre a luz síncrotron. Contudo, a retomada do assunto é necessária para falarmos sobre um novo acelerador que será lançado no Reino Unido: o Diamond.

Hoje, vamos falar sobre o funcionamento dessas incríveis máquinas que vêm garantindo evoluções absurdas em diversas áreas do conhecimento. Seja você uma pessoa ligada em ciência ou apenas um mero consumidor, vale a pena ler os próximos parágrafos e saber para que servem os tais síncrotrons.

Explicando do começo

Bom, se você ainda não sabe o que é um síncrotron, a ideia mais interessante é começarmos nosso artigo falando disso. Trata-se de uma máquina gigante, geralmente em forma de anel, construída especialmente para produzir raios X, infravermelhos e ultravioletas de alta intensidade. A luz produzida nessa máquina é chamada de luz síncrotron.

(Fonte da imagem: Reprodução/Diamond)

É bem provável que você já conheça esses raios, afinal eles são muito comuns em nosso dia a dia e fazem parte do espectro eletromagnético — o qual compreende a luz visível, cores e uma série de comprimentos de onda invisíveis a nossos olhos. Nesse espectro, ainda podemos colocar as ondas de rádio e os raios gama.

A necessidade desse aparelho surgiu quando os microscópios já não eram mais suficientes para estudar a composição de pequenos elementos como moléculas e átomos. Devido às limitações do microscópio (que usa a luz visível a nossos olhos), o síncrotron pode usar formas de onda menor, como os raios X.

Segundo as informações da Diamond Light Source, o síncrotron Diamond (modelo britânico do qual falaremos neste artigo) pode gerar luz síncrotron até 100 bilhões de vezes mais brilhante do que o Sol. Essa incrível capacidade da máquina possibilita aos cientistas estudarem amostras em um nível de detalhes absurdamente elevado.

Como funciona o Diamond?

Você se lembra das televisões de tubo? Então, o começo do processo no síncrotron é semelhante ao que acontecia nas TVs CRT. Um dispositivo chamado “arma de elétrons” gera os elétrons (óbvio, não?), os quais serão acelerados nos “aceleradores de partículas”. Tais elementos são acelerados a um nível de energia de 100 MeV (milhões de eletronvolts).

Esses aceleradores são compostos pelos seguintes dispositivos: o “linac”, o intensificador síncrotron e o grande anel de armazenamento. O processo de aceleração ocorre em uma ordem específica, sendo que os elétrons primeiramente recebem impulso no linac e no intensificador para depois serem direcionados ao anel.

(Fonte da imagem: Reprodução/Diamond)

É importante notar que apesar de receber o nome de anel, este grande círculo — no Diamond, este circuito de vácuo tem 560 metros de extensão — na parte externa do síncrotron não é perfeito. Trata-se na verdade de um polígono composto por diversas seções devidamente posicionadas com o uso de ímãs de flexão (ou ímãs dipolos).

Os ímãs têm duas funcionalidades: manter os elétrons devidamente direcionados e extrair a luz síncrotron. Na verdade, a luz obtida dos elétrons é apenas parte da energia que eles perdem ao passarem pelos campos magnéticos. A luz síncrotron obtida em cada seção é então encaminhada para as linhas de luz (beamlines).

Controlando a luz

As linhas de luz de um síncrotron não são apenas parte da máquina, mas principalmente são grandes centros de controle. Cada linha de luz é composta por “gaiolas”. Há uma para canalizar a luz filtrada e outra para realização dos experimentos.

(Fonte da imagem: Reprodução/Diamond)

Uma última seção da linha de luz é o local onde os cientistas orientam todo o processo à distância (evitando o contato com raios X). Além disso, nesse ambiente, os pesquisadores observam os resultados (nível de carga, posição, estrutura temporal e perda de elétrons) que são processados por computadores especialmente programados para tais atividades.

De acordo com a reportagem da revista How It Works, o software EPICS (Sistema Experimental de Controle Físico e Industrial) é o responsável por controlar sensores, processar todos os dados e transformar as informações invisíveis a olho nu em dados que possam ser exibidos em monitores comuns.

É interessante notar que cada linha de luz é otimizada para um tipo diferente de experimento, algo que possibilita a realização simultânea de múltiplos testes. Atualmente, o Diamond possui 22 linhas de luz, mas ele tem estrutura para comportar até 40 seções de análises. Isso quer dizer que é possível realizar 22 verificações simultaneamente.

Qual o objetivo?

Conforme já citamos, esses grandes laboratórios servem para estudar átomos e moléculas de uma forma mais precisa. Com a utilização de um síncrotron, os cientistas podem descobrir informações sobre questões hereditárias (revelando a origem e a evolução das espécies) e estudar como o universo e a Terra chegaram ao estado atual.

Além disso, o síncrotron pode ser uma máquina muito útil para testes. No caso da engenharia, o síncrotron pode verificar o que acontece com determinados materiais em diferentes circunstâncias. Com as devidas coordenadas, os pesquisadores podem simular situações e verificar como um determinado produto vai reagir.

Na área da medicina, o síncrotron pode ser fundamental para encontrar a cura para uma determinada doença. Com o uso de uma partícula de um vírus (ou bactéria) e a aplicação de uma solução, os cientistas podem verificar como uma enfermidade reagirá. Isso evita testes prolongados com cobaias e possibilita soluções mais eficientes e imediatas.

Podemos pensar ainda na questão do meio ambiente. Graças aos síncrotrons, os cientistas descobriram uma série de questões importantes sobre os poluentes e o impacto causado aos recursos naturais.

Tais máquinas também têm sido fundamentais para a criação de materiais alternativos necessários para determinadas tarefas. Ao trabalhar em nível atômico, um síncrotron pode estudar as microestruturas e revelar propriedades desconhecidas de algumas matérias-primas.

É importante notar que esses são exemplos superficiais, pois, na verdade, essas superestruturas podem auxiliar em diversas outras áreas ainda não exploradas. Para nós, meros mortais, os síncrotrons são quase parte de uma ficção científica, mas saber um pouco sobre os bastidores da ciência é fantástico!