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Costruire il laser più potente del mondo
Questo marzo , i ricercatori del Impianto di accensione nazionale ha dimostrato un laser da 1,1 megajoule progettato per innescare reazioni di fusione nucleare entro il 2010. Ma la tecnologia della struttura, che è ospitata presso il Lawrence Livermore National Laboratory in California, non può ancora generare energia sufficiente per azionare una centrale elettrica. Quindi, anche se i fisici attendono con impazienza la dimostrazione del prossimo anno, stanno lavorando a laser ancora più potenti che potrebbero rendere possibile un metodo per una sorta di fusione indotta dal laser chiamata accensione rapida.
Accendere: Questo laser può fornire un impulso di luce di 200 joule della durata di soli 100 femtosecondi. I cavi a sinistra pompano l'alimentazione alle lampade lampeggianti verdi che pompano il laser.
Questa settimana, al incontro annuale del Società di ottica d'America a San Jose, in California, i ricercatori dell'Università del Texas hanno presentato i piani per costruire un laser exawatt che sarebbe tre ordini di grandezza più potente di qualsiasi cosa esista oggi. I laser più potenti di oggi operano nell'ordine di circa un petawatt, o da 10 alla potenza di 15 (un quadrilione) watt. Un exawatt va da 10 a una potenza di 18 watt. I laser Exawatt saranno in grado di concentrare quella potenza in aree che misurano micrometri, creando intensità enormi.
Un modo per aumentare la potenza di un laser è ridurre la durata dell'impulso laser. Ma lavorare con impulsi laser dell'ordine dei picosecondi o addirittura dei femtosecondi è difficile perché tali impulsi sono costituiti da un'ampia larghezza di banda di frequenze luminose che danneggiano il vetro ottico, incluso il vetro fosfato spesso utilizzato per amplificare la luce laser, ad esempio all'accensione nazionale Servizio, struttura.
Todd Ditmire , direttore dell'High Intensity Laser Science Group presso l'Università del Texas ad Austin, ha riferito all'incontro di questa settimana che un nuovo tipo di vetro dovrebbe essere in grado di gestire gli intensi impulsi di luce necessari per creare un laser exawatt. Il vetro verrebbe drogato e utilizzato per creare dispositivi chiamati amplificatori: quando la luce di un laser colpisce l'amplificatore di vetro, gli ioni nel vetro assorbono la luce e la riemettono a un'energia più elevata. Il vetro è solo un ospite: è un materiale trasparente che trattiene gli ioni, afferma Ditmire.
Il vantaggio di attaccare con il vetro invece di un altro materiale è che i produttori possono facilmente trasformarlo in dispositivi di grandi dimensioni, il che aumenta la potenza del raggio risultante. Al contrario, lo zaffiro al titanio può fungere da amplificatore per i laser ad alta potenza, ma è difficile da realizzare in pezzi grandi, afferma Ditmire. Lavorare con il produttore tedesco Schott , il gruppo texano ha iniziato a caratterizzare le proprietà del loro nuovo tipo di vetro, che combina il silicato, il materiale che costituisce gli oggetti di vetro di uso quotidiano, con l'elemento metallico del tantalio. Ditmire afferma che il suo gruppo sta ora lavorando con Schott per creare pezzi più grandi del materiale che verranno assemblati per realizzare un prototipo laser.
Ditmire prevede che la prima applicazione dei laser exawatt sarà come fonte di energia per acceleratori di particelle medici. Bombardare i tumori con protoni provoca meno effetti collaterali rispetto alla terapia a raggi X perché i protoni rilasciano la loro energia tutta in una volta, risparmiando i tessuti circostanti. Tuttavia, la terapia protonica non è stata ampiamente utilizzata perché richiede grandi acceleratori di particelle. I laser exawatt compatti dovrebbero essere abbastanza potenti da accelerare i protoni per la terapia medica.
Ma l'applicazione potenziale più interessante per i laser exawatt è nelle centrali elettriche a fusione che si basano su un processo chiamato accensione rapida. Nelle prime fasi, il National Ignition Facility utilizzerà laser a petawatt per comprimere un pellet di combustibile d'oro fino a riscaldarlo fino a 100 milioni di °C, innescando la fusione. Anche alla conferenza di questa settimana, i ricercatori della struttura hanno riferito di aver completato un altro passo lungo la strada verso le reazioni di fusione controllate, descrivendo i test preliminari del loro sistema utilizzando un impulso da 500.000 joule per far implodere un pellet di combustibile da fusione.
L'accensione rapida funziona in modo diverso. Invece di un singolo impulso, la tecnica utilizzerebbe laser a bassa potenza per comprimere il carburante senza preoccuparsi di riscaldarlo, e poi un laser a breve impulso [exawatt] che funge da candela, accendendo la reazione di fusione, afferma Ditmire.
Se funzionerà è controverso, ammette Ditmire. Mirare a un impulso così breve potrebbe essere problematico. In teoria, tuttavia, il processo di accensione rapida dovrebbe richiedere meno energia per funzionare. La misura più importante delle prestazioni di un reattore a fusione è il suo guadagno, o il rapporto tra l'energia richiesta per far funzionare i laser e la quantità di energia prodotta dalla reazione. L'obiettivo della struttura di Livermore è un guadagno da 15 a 20. È necessario un guadagno di 100 per realizzare una centrale elettrica a fusione e i calcoli mostrano che i laser exawatt potrebbero ottenerlo, afferma Ditmire.
Ma il nuovo materiale in vetro non è l'unica chiave per costruire un laser exawatt. Il gruppo di Ditmire ha anche avuto successo con nuove tecniche di amplificazione per produrre impulsi di brevissima durata utilizzando i Laser Texas Petawatt . Secondo Ditmire, il trucco per ottenere una potenza molto elevata è una tecnica chiamata cinguettio, in cui diverse frequenze di luce vengono separate, attraversate da amplificatori di vetro e quindi attraversate da un compressore per rimetterle insieme in un unico impulso di maggiore potenza. . Il metodo del gruppo Texas combina diversi tipi di amplificatori in vetro per questo processo, consentendo una maggiore compressione della luce e quindi aumentando ulteriormente la potenza in uscita. Alla riunione, Ditmire ha riferito di aver utilizzato questa tecnica per creare impulsi da 100 femtosecondi.
Ditmire non è l'unico ricercatore che spinge per lo sviluppo di laser exawatt. L'inventore del cinguettio, Gérard Mourou dell'Ecole Polytechnique in Francia, sta guidando un progetto europeo di laser exawatt chiamato O o Infrastruttura estremamente leggera. Il gruppo europeo prevede di utilizzare amplificatori in titanio zaffiro invece del vetro convenzionale.