Europa inicia la construcci¨®n de su l¨¢ser de rayos X, ubicado en Alemania

Europa quiere dotarse de infraestructuras cient¨ªficas que ayuden a los investigadores europeos a producir ciencia competitiva. Uno de los primeros pasos hacia ese objetivo fue la publicaci¨®n, en oto?o de 2006, del primer plan de infraestructuras de investigaci¨®n europeas, que inclu¨ªa 35 grandes instalaciones.

La semana pasada, en la inauguraci¨®n de la Conferencia sobre Infraestructuras Europeas de Investigaci¨®n, celebrada en Hamburgo (Alemania), se aprob¨® la primera de estas infraestructuras tras la firma de los acuerdos entre los socios internacionales. Se trata del l¨¢ser europeo de rayos X de electrones libres XFEL, cuya construcci¨®n comenzar¨¢ a finales de este a?o y que deber¨ªa estar listo en 2013. El proyecto, en el que participa Espa?a, aspira a convertirse en la instalaci¨®n m¨¢s potente de su clase.

"Este complejo instrumento nos permitir¨¢ contemplar por primera vez el funcionamiento de las mol¨¦culas, los ¨¢tomos, los procesos qu¨ªmicos", se?al¨® durante la presentaci¨®n Albrecht Wagner, presidente del centro de aceleradores DESY, en Hamburgo, el organismo donde se instalar¨¢ el l¨¢ser XFEL.

Con este l¨¢ser se podr¨¢ analizar la materia a escala at¨®mica, y adem¨¢s los pulsos de radiaci¨®n X ser¨¢n tan r¨¢pidos que con la informaci¨®n obtenida se podr¨¢ construir una pel¨ªcula tridimensional de las interacciones moleculares. "Los flashes del XFEL ser¨¢n tan cortos que se usar¨¢n para filmar las reacciones qu¨ªmicas", explic¨® Massimo Altarelli, director del proyecto XFEL. La rapidez de los pulsos es importante tambi¨¦n por un detalle b¨¢sico: permite obtener informaci¨®n de la muestra antes de que ¨¦sta estalle por la propia energ¨ªa contenida en el pulso.

Adem¨¢s, la alta resoluci¨®n que proporcionan los rayos X elimina la necesidad de cristalizar las muestras. Esto es "una aut¨¦ntica revoluci¨®n", afirm¨® Altarelli. "Hoy d¨ªa, para entender la estructura at¨®mica de las mol¨¦culas muy grandes -las prote¨ªnas, las enzimas e incluso los virus, complejos moleculares gigantes- antes hay que cristalizarlas [de forma que cada cristal contiene millones de mol¨¦culas alineadas, lo que permite obtener una se?al lo bastante intensa]. Pero algunas prote¨ªnas es muy dif¨ªcil o totalmente imposible cristalizarlas. Aqu¨ª haremos que el l¨¢ser atraviese un haz de esas mol¨¦culas, y esencialmente reconstruiremos la estructura at¨®mica de la mol¨¦cula sin necesidad de cristalizar", explic¨®.

En los l¨¢seres de electrones libres son los propios electrones los que, despu¨¦s de ser acelerados hasta que rozan la velocidad de la luz, emiten luz l¨¢ser al pasar por un determinado campo magn¨¦tico. La radiaci¨®n emitida depende de la velocidad de los electrones y de las caracter¨ªsticas del campo magn¨¦tico. En el caso de XFEL, la energ¨ªa de la radiaci¨®n l¨¢ser est¨¢ en el rango de los rayos X. Hay muchos l¨¢seres de electrones libres operativos por el mundo, pero a¨²n no existe ninguno que llegue a los rayos X duros. Estados Unidos y Jap¨®n tienen sendos proyectos, de los que el m¨¢s adelantado es el estadounidense, el Linac Coherent Light Source (en Stanford, California), cuya puesta en marcha se prev¨¦ para 2009.

Pero Altarelli asegura que "cuando el XFEL empiece a funcionar se colocar¨¢ inmediatamente en la vanguardia". Una de las razones es que "la m¨¢quina de Linac podr¨¢ emitir s¨®lo hasta 120 flashes por segundo, comparados con los al menos 30.000 que emitiremos nosotros". Es esta ¨²ltima habilidad la que permite ver la pel¨ªcula de las reacciones qu¨ªmicas.

XFEL ocupar¨¢ un t¨²nel rectil¨ªneo de 3,4 kil¨®metros de longitud excavado a entre 6 y 38 metros de profundidad, que partir¨¢ del campus de DESY. Cada uno de sus pulsos durar¨¢ menos de 100 femtosegundos (un femtosegundo es una milbillon¨¦sima de segundo). Su tecnolog¨ªa se basa en gran parte en lo ya probado en un l¨¢ser de electrones libres en funcionamiento desde agosto de 2005 en DESY, el FLASH.

Presentado como "el hermano peque?o" de XFEL, FLASH ocupa un t¨²nel de 260 metros de longitud y genera un haz mucho menos energ¨¦tico que XFEL: radiaci¨®n ultravioleta y rayos X blandos -longitud de onda entre 6 y 60 nan¨®metros-, frente a los rayos X de XFEL -0,1 nan¨®metros-. Por eso, la resoluci¨®n de FLASH permite penetrar en la materia a la escala de las mol¨¦culas, pero no a la de los ¨¢tomos como XFEL.

Ya hay, no obstante, una alta demanda de uso de FLASH -el primer l¨¢ser de electrones libres de ultravioleta extremo que existe- desde ¨¢reas como f¨ªsica del estado s¨®lido; f¨ªsica de superficies; plasma; o biolog¨ªa molecular. Y ya ha sido posible demostrar con FLASH que, efectivamente, se podr¨¢ obtener la estructura de mol¨¦culas sin necesidad de cristalizarlas.

Pero, a pesar de la escuela de FLASH, Altarelli asegur¨® que "XFEL supone un desaf¨ªo tecnol¨®gico muy importante, porque cuanto m¨¢s peque?a sea la longitud de onda, m¨¢s exigentes son los requisitos tecnol¨®gicos". "Para iniciar el proceso de electrones libres hay que controlar el haz de electrones de forma muy precisa, as¨ª que necesitas una mec¨¢nica muy fina, o, por ejemplo, hay que desarrollar componentes que deben mantener constantes determinadas distancias a una escala de unas pocas micras, durante centenares de metros", precis¨® Altarelli.

Al lanzamiento del XFEL asistieron, entre otros, la ministra alemana de Investigaci¨®n, Anette Schavan, y sus hom¨®logos en Francia -Val¨¦rie P¨¦cresse- y Rusia -Andrej Fursenko-. En el acuerdo firmado se aprob¨® una primera fase del proyecto, con un coste de 850 millones de euros que aportar¨¢ Alemania -en un m¨¢ximo del 75%- y otros 13 socios (Dinamarca, Francia, Grecia, Hungr¨ªa, Italia, Rep¨²blica Checa, China, Polonia, Rusia, Espa?a, Suecia, Suiza y Reino Unido), que cubrir¨¢n un m¨ªnimo del 25% y hasta un 40% del proyecto. La participaci¨®n espa?ola es, por ahora, del 2% del total. En esta fase, el XFEL contar¨¢ con seis estaciones experimentales, aunque en su versi¨®n final, que costar¨¢ unos 1.100 millones de euros, tendr¨¢ 10 estaciones.

Fuente de neutrones

La lista de grandes instalaciones presentada en oto?o de 2006 pretende cubrir las necesidades cient¨ªficas de las pr¨®ximas dos d¨¦cadas en distintas ¨¢reas: ciencias sociales y humanidades; energ¨ªa; ciencias ambientales; ciencias de la vida y biom¨¦dicas; materiales; astronom¨ªa, astrof¨ªsica y f¨ªsica nuclear y de part¨ªculas; y ciencias de la computaci¨®n. El plan incluye, por ejemplo, la Fuente Europea de Neutrones por Espalaci¨®n, con un coste superior a los mil millones de euros y para la que el Pa¨ªs Vasco es candidato como sede -compite con otras cuatro candidaturas en Suecia, Reino Unido, Alemania y Hungr¨ªa-.

Tambi¨¦n est¨¢ en el plan el Telescopio Extremadamente Grande ELT (Extremely Large Telescope), que tendr¨ªa un espejo de m¨¢s de 30 metros de di¨¢metro y costar¨ªa unos 850 millones de euros. Otra gran instalaci¨®n ser¨¢ el buque polar Aurora Borealis, capaz de penetrar en el oc¨¦ano ?rtico con una cubierta de hielo de 2,5 metros de altura. El coste estimado total de todas las instalaciones es de 14.000 millones de euros.

Durante la conferencia de Hamburgo, el presidente del Foro Europeo para la Estrategia de Infraestructuras de Investigaci¨®n (ESFRI), John Wood, reconoci¨® que la lista de 35 instalaciones se hab¨ªa elaborado bajo una fuerte presi¨®n de tiempo, y que "lleg¨® a dudar de que se consiguiera".

Wood y Eckhart Curtius, tambi¨¦n de ESFRI, explicaron que por esa falta de tiempo algunas ¨¢reas no estuvieron tan bien representadas como debieran, en concreto las de energ¨ªa, medio ambiente y supercomputaci¨®n. A las prisas puede tambi¨¦n atribuirse, seg¨²n estos expertos, el que la propia comunidad cient¨ªfica no participara suficientemente en el proceso de selecci¨®n de las instalaciones. Por eso ESFRI "sigue abierto a propuestas", record¨® Curtis, que adelant¨® que en oto?o de 2008 se publicar¨¢ una lista actualizada de futuras instalaciones.