Avem putere (10 PW). Ce putem face cu ea și când?

Proiectul ELI-NP, cunoscut și sub denumirea de “Laserul de la Măgurele”, face în continuare obiectul unei propagande media intense, fiind prezentat recent în termeni deosebit de laudativi un nou succes, un “nou record”, o “premieră mondială”, anume “tragerea” a 10 pulsuri laser, nefocalizate, cu puterea de 10 PW (10 la puterea 15 Watts) prin sistemul de transport al laserului, în cadrul unui test de anduranță. Pe lângă prezentarea succesului în sine, se dorește să se arate că implementarea proiectului ELI-NP decurge foarte bine, avansându-se chiar că acest proiect ar fi gata pentru experimente în proporție de 99% (N. Zamfir și I. Dancus, în cadrul unei recente emisiuni de la Antena 3). ELI-NP este declarată acum “cea mai avansată infrastructură de cercetare din lume pentru fizică nucleară, care utilizează laseri de mare putere” (adevărul.ro, 26 august 2020). Sub rezerva că nu știm (încă) toate detaliile tehnice despre obținerea și propagarea acestor pulsuri prin sistemul de transport și cum au rezistat componentele sistemului, acesta este, fără îndoială, un succes care merită raportat. Totodată însă, prin această nouă raportare, se dovedește că, precedenta raportare de “atingere” a 10 PW, fară a avea un puls (12 martie 2019) și care a stârnit pe bună dreptate neîncredere și critici, era doar o estimare care a fost ridicată, în mod exagerat, la rangul de “record mondial”.

În continuare, doresc totuși să atrag atenția că prezentarea repetată, triumfală, a unor astfel de succese intermediare (atingerea puterii de 10 PW, desfășurarea primului experiment fără a da amănunte despre condițiile experimentale și rezultatele obținute, obținerea în cadrul unui prim test de anduranță a unor pulsuri de 10 PW), poate induce ideea că realizarea tehnică a proiectului ELI-NP este practic gata și că procentul de 99% este unul real, făcându-ne să uităm de fapt că scopul final al acestui proiect este acela de a obține rezultate științifice noi, validate de comunitatea internațională din domeniu, inclusiv propuneri/idei de noi aplicații și tehnologii. Abia atunci vom putea spune dacă proiectul a fost sau nu un succes și a meritat sau nu investiția și munca depuse.

Că să înțelegem mai bine stadiul în care ne aflăm cu proiectul ELI-NP și ce rezultate așteptăm de la el, fac mai întâi o scurtă prezentare, în viziune proprie, a proiectului, însoțită de câteva considerente.

Ca infrastructură de cercetare, proiectul ELI-NP conține, în mare, trei componente:

1) un sistem “Laser” cu două brațe care ar putea furniza fiecare, separat, pulsuri ultrascurte, cu puteri de 100 TW (1 teraWatt = 10¹² Watts), 1 PW (1 petaWatt = 10¹⁵Watts) și 10 PW, pentru fiecare putere fiind necesare sisteme de transport distincte ale acestor pulsuri către ansamblurile experimentale

2) un sistem “Gamma”, o sursă care ar trebui să producă fotoni gamma cu anumite caracteristici (energie continuă între 3 și 19.5 MeV, densitate spectrală > 10³ fotoni/secundă/eV, lărgime de bandă relativă ~ 0.5 %), care să fie folosiți în aplicații de fizică nucleară și

3) ansamblurile experimentale dedicate experimentelor specifice care se vor realiza.

Evident, descrierea de mai sus este una simplificată, în realitate există foarte multe subansambluri, dedicate operațiunilor tehnice necesare, prelucrare a datelor, experimentelor, inclusiv sistemele de transport. La sistemul “Laser”, de cel mai mare interes este evident producerea și folosirea pulsurilor de 10PW, care focalizate ar putea furniza în camerele de reacție unde se află țintele, intensități de cel puțin 10²³ W/cm² și câmpuri electrice de până la 10¹⁵ V/m. Aceștia din urmă sunt parametrii pulsurilor laser care contează în principal in interacția radiației laser cu materia și la acest nivel de valori ale lor, nemaiatinse până în prezent, sunt preconizate rezultatele științifice și eventualele soluții tehnice și idei pentru aplicații de interes, care să aducă plus valoare, să justifice costurile de sute de milioane de euro (construcție, implementare, operare, mentenanță, etc.) și să merite efortul implementării proiectului.

Altfel, tot la Măgurele, la Institutul Național pentru Fizică Laserilor Plasmei și Radiației (INFLPR), există deja sistemul de laseri CETAL, care are în componența sa un laser de 1,3PW (dat în folosință în 2014 și care fost ,pentru câteva luni, cel puțin la nivel declarativ, “cel mai puternic laser din lume”) și un alt laser de circa 15TW (dat în folosință în 2006). Cu acești laseri se pot, prin urmare, studia, dacă ar funcționa corespunzător, fenomene fizice și eventuale aplicații la nivelul unor puteri de până la 1 PW. Știut fiind faptul că laseri de 1PW existau încă din 1998, ELI-NP urmă să facă “saltul” de la 1 la 10 PW și să aducă astfel plus valoare științifică și tehnică, profitându-se și de experiența acumulată la CETAL de unde provin și unii cercetători ai echipei ELI-NP. De asemenea, amintesc și de o performanță anterioară, anume că, o densitate de putere de 10²¹ W/cm² a fost atinsă încă în 2005 (cu circa 7 ani înainte de ELI-NP), lucru consemnat și in Guiness Book of World Records.

Mai trebuie de asemenea spus că ELI-NP este într-adevăr cel mai mare proiect românesc de cercetare, dar apreciez (având cel puțin experiența altor 4 experimente/proiecte mari în care am fost și sunt implicat) că gradul său de complexitate nu este unul foarte ridicat, dacă îl comparăm cu mari experimente fizică nucleară de exemplu, desfășurate în laboratoare terestre și subterane din mari centre de cercetare internaționale și este cu mult sub proiectele LHC-CERN (fizica energiilor înalte) sau DUNE-Fermilab (fizica neutrinilor). De ce aduc în discuție această comparație? Pentru a compara și duratele de comisionare ale acestor proiecte (timpii scurși de la aprobarea finanțării fiecărui proiect până în momentul când toate instalațiile proiectului funcționează la parametrii prevăzuți sunt predate utilizatorilor pentru experimente). Acești timpi joacă într-adevăr un rol determinant în “eficiența/utilitatea” proiectului, căci degeaba vei ajunge să obții rezultatele științifice preconizate și/sau să oferi soluții pentru aplicații, dacă timpul de comisionare depășește mult perioada preconizată. S-ar putea că aceste rezultate să fi fost deja obținute (inclusiv prin alte metode) iar aplicatiile să-și fi găsit deja rezolvarea. Timpul de comisionare al întregului proiect LHC-CERN (cel mai puternic accelerator de particule din lume plus cele 4 mari experimente aferente (CMS, ATLAS, ALICE și LHCB), însemnând achiziții, construire, punere în funcțiune, inclusiv testare, a fost de circa 12 ani. La DUNE acest termen este de 10 ani (fiind în Board sunt impresionant de progresul făcut în derularea proiectului în cei 5 ani de la demarare, cu siguranță că va fi gata la termen ,în 2025).

La început, pentru ELI-NP se vorbea de finalizarea comisionarii la sfârșitul lui 2015, apoi această perioada a crescut treptat. S-a vorbit insistent de 2018, acum se vorbește (nefiind sigur) de 2023. Deja 11-12 ani, poate mai mult, până la funcționarea instalațiilor proiectului la parametrii prevăzuți, este un timp (prea) lung în opinia mea, există pericolul ca cel puțin unele din rezultatele preconizate să fie obținute prin alte tehnologii. Trebuie menționat și suportul primit de proiectul ELI-NP. El a fost și este considerat o prioritate pentru cercetarea românescă și ca urmare a primit și primește un puternic și constant sprijin politic, financiar, din partea comunității științifice și a avut, până recent, numai reflectări lăudative în mass media. De asemenea, strategia de PR a proiectului a fost și este una “agresivă”, prezentându-se amplu, repetat, pe toate canalele media, numai aspecte favorabile: performanțe tehnice “unice”, condițiile extreme la care se vor studia diferite fenomene, rezultatele științifice “de excepție” și aplicații de mare interes ce vor fi obținute. Prezentările au fost făcute însă la modul general și prin formulări care au lăsat loc la interpretări nereale. Foarte puțin s-a vorbit și despre disfuncționalitățile apărute, iar dacă s-a făcut referire, în trecere, nimic nu s-a imputat echipei de management, care întodeauna era prezentată la superlativ. S-a creat astfel, la toate nivelele un potențial de așteptare foarte ridicat față de acest proiect. Sigur, este normal să-ți promovezi pozitiv proiectul dar și o promovare excesivă, selectivă, poate produce efecte contrare. Aspectele financiare sunt de asemenea foarte importante. Trebuie amintit că din 2012 și până azi, bugetul cercetării a inclus sume anuale de sute de milioane de lei pentru acest proiect, iar acești bani, deși probabil au fost recuperați în mare parte de la UE (nu s-au dat detalii pe acest subiect), nu s-au mai regăsit în creșteri ulterioare (după recuperare de la UE) ale acestui buget. Este, prin urmare, firesc ca cei ce lucrează în domeniul Cercetare-Dezvoltare, publicul larg și în primul rând factorii de decizie, să fie informați permanent, într-un mod corect și profesionist, despre stadiul implementării, perspectiva rezultatelor și finanțarea viitoare a proiectului. Având în vedere cele de mai sus, este de așteptat ca după o astfel de perioada lungă, aproape exclusiv laudativă la adresa ELI-NP, să apară și reacții negative și întrebări incomode pentru echipa actuală, odată cu ieșirea la iveală a unor disfuncționalități importante. Echipa ELI-NP ar trebui să le privească cu toată seriozitatea și să dea explicațiile necesare.

Ceea ce constat însă, este că, pe măsură ce apar tot mai multe critici la adresa proiectului ELI-NP, în loc să se răspundă cu explicații pertinente și detalii care să dea substanță și credibilitate răspunsurilor, se continuă cu același mod de prezentare laudativă a unor succese fără a se da suficiente detalii (atingerea puterii de 10 PW, primul experiment, alte (?) experimente sunt în curs de desfășurare, 99% realizare, etc.) pentru a se induce continuu impresia că procesul de implementare decurge foarte bine și e în grafic.

În opinia mea lucrurile nu stau însă chiar așa, ne aflăm încă departe de realizarea cu succes de experimente relevante cu fascicole focalizate de 10PW, care să producă rezultate noi, publicabile în reviste importante.

Prezint, în continuare, argumente. Din ce se deduce din datele furnizate de echipa ELI-NP, stadiul actual al implementării proiectului este următorul. La sistemul “Laser” a avut loc primul experiment în martie 2020, cu fascicole de 100 TW. Nu se dau niciun fel de detalii despre ce procese s-au investigat concret, despre alte caracteristici ale fascicolului pe țintă, ansamblul experimental și rezultatele obținute. Pentru fasciculele de 1 PW, se spune că este în desfăşurare procedura de autorizare CNCAN, iar primele experimente la această putere ar fi planificate să înceapă în noiembrie 2020. Laseri funcționali, care să dea pulsuri cu puteri de 100TW și 1 PW, există de mulți ani în lume, cum am menționat deja, inclusiv în România (la CETAL-INFLPR). Astfel, construcția, asamblarea, transportul fascicolelor către experimente, controlul, monitorizarea fascicolelor și alte detalii tehnice necesare experimentelor, ar trebui să fie deja rezolvate, mai ales că, așa cum se specifică și în TDR-uri, sistemele de transport pentru aceste puteri erau parte a contractului cu firma Thales și trebuiau deci livrate funcționale. De aceea, îmi exprim surprinderea că la ELI-NP nu s-au realizat încă experimente relevante cu pulsuri focalizate având astfel de puteri după 8 ani de la demararea proiectului.

Pentru fasciculele de 10 PW, unde s-a făcut numai un test de anduranță, să se vadă dacă se pot obține pulsuri nefocalizate cu această putere care să fie trecute prin sistemul de transport. Se spune că testele/experimentele de comisionare (nu cele reale, care ar putea produce și rezultate științifice noi!) cu fascicule laser focalizate la intensităţi mai mari de 10²³ W/cm², se vor face începând cu anul 2021. Nu știm pe ce se bazează o astfel de estimare și, cu atât mai mult, să se aducă argumente că ele vor fi și unele de succes, ca apoi să înceapă și experimentele reale.

În ceea ce privește sursa Gamma, lucrurile sunt întârziate și prin urmare și mai puțin clare în ceea ce privește experimentele de fizică nucleară. Contractul inițial, pentru livrarea sursei încheiat cu EuroGammaS, a fost reziliat și un altul nou a fost semnat cu firma americană Lycean Technologies pentru un sistem VEGA ce va fi livrat și va fi operațional, se spune, în anul 2023. Nu se dau detalii despre noua sursă Gamma, nu se spune de exemplu dacă în construcția ei va fi folosită aceeași tehnologie sau nu, dacă se vor păstra valorile parametrilor tehnici prevăzuți inițial, etc. Fără acest sistem Gamma operațional, se înțelege că toate experimentele de fizică nucleară prevăzute nu vor putea avea loc. Fie și numai din această succintă trecere în revista se poate deduce că nu poate fi vorba, în momentul de față, de o realizare a proiectului ELI-NP în proporție de 99%. Faptul că va mai dura mult până la realizarea unor experimente reale, nu teste, cu parametrii fascicolelor (laser și gamma) cei prevăzuți, reiese și mai clar din informațiile prezentate în TDR-uri (Technical Design Reports). Acestea sunt documente/rapoarte ce ar trebui să descrie detaliat ce fenomenele fizice se vor studia, ce parametri trebuie să aibă fascicolele laser și gamma, soluțiile tehnice de măsurare și ansamblurile experimentele, etc. precum și rezultatele așteptate. Aceste raporate au fost elaborate de grupuri de lucru formate din specialisti români și străini, coordonate de echipa ELI-NP și au fost publicate în revista Romanian Reports in Physics, vol. 68 (2016), fiind în prealabil discutate și aprobate de Board-ul internațional al ELI-NP (ISAB) în iunie 2015, apoi ajustate apoi cu ultimele recomandări. Nu discut în acest articol, despre modul de redactare și conținutul acestor TDR-uri (sunt și aici destule observații de făcut), dar fac, totuși, observația ca ele sunt elaborate cu nivelul de cunostinte și de soluții tehnice ale anului 2015 și nu este exclus ca acum să fie nevoie de un up-date al lor. Vedem că experimentele prevăzute vor utiliza numai fascicole laser, numai fascicole gamma sau în combinație fascicole laser și gamma. Cele mai multe experimente se referă la aplicații nucleare, firesc, căci specificul pilonului ELI-NP este tocmai astfel de aplicații.

Pentru realizarea experimentelor, în afara surselor laser și gamma, sunt necesare însă buna funcționare a foarte multe subansamble și elemente tehnice, în primul rând cele care compun sistemele de transport. De exemplu, experimente nu se pot face fără a fi realizat și pus la punct sistemul Laser Beam Delivery (LBD), care este interfața dintre surse (laserii de mare putere și sursă gamma) și experimente. Este nevoie de exemplu de un sistem de sincronizare a timpilor de emitere a pulsurilor laser cu sursă gamma și experimentele, la o scală de timp de femptosecunde (un million de milliard dintr-o secundă), de un sistem optic de livrare a pulsurilor și, foarte important, de un sistem de monitorizare și control al calității pulsurilor. Într-adevăr, pentru efectuarea experimentelor, sunt necesare fascicole “stabile” de pulsuri laser, care să aibă precis monitorizate caracteristici precum putere, energie, durata puls, intensitate, frecvența, polarizabilitate, contrast, lungime focală, etc. cu valori adaptate diferitelor tipuri de experimente. Punerea la punct a tuturor acestor detalii tehnice (am enumerat numai o parte) nu este deloc un lucru “banal”și poate întârzia mult realizarea experimentelor față de momentul încheierii testelor. Spre exemplu, laserul de 1,3PW din sistemul CETAL a fost inaugurat în anul 2014, dar nu cunosc să se publicat încă vreun rezultat relevant obținut acolo în urma vreunui experiment.

Citeste intreg articolul si comenteaza pe Contributors.ro