(Foto: LNLS/Reprodução)
Com a primeira
etapa inaugurada hoje (14), Sirius, a nova fonte de luz
síncrotron brasileira, será a maior e mais complexa infraestrutura científica já
construída no País, em Campinas (SP) e uma das primeiras fontes de luz síncrotron de 4ª geração do mundo.
Orçado em R$ 1,8 bilhão, o laboratório que integra
o Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM) está com as obras
civis concluídas e nesta quarta (14) passa pelo primeiro teste: uma volta de
elétrons em dois dos três aceleradores que compõem o equipamento.
O Sirius
deve ser entregue aos pesquisadores no segundo semestre de 2019. A conclusão
total da obra, com 13 linhas operando, é prevista para 2020. Atualmente há
apenas um laboratório da 4ª geração de luz síncrotron operando no mundo: o
MAX-IV, na Suécia. O Sirius foi projetado para ter o maior brilho do mundo entre as fontes com sua faixa de energia.
Quando o
Sirius estiver em atividade - substituindo a atual fonte de luz usada no
Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS) -, estima-se que uma pesquisa que
atualmente é feita em 10 horas nos equipamentos mais avançados do mundo poderá
ser concluída em 10 segundos.
Números do Sirius:
- 68 mil metros quadrados de área
construída
- 1.000 km de cabos elétricos
- 6.500 m³ de concreto especial de
baixíssima retração
- 900 toneladas de aço
- 90 cm de espessura de concreto na área
dos aceleradores
- 0,1 º C é a variação máxima de
temperatura na região dos aceleradores
- 518 metros é a circunferência do acelerador principal
- 1.300 imãs
- 1 km
de câmaras de vácuo
- 8.000 pontos de controle de mais de 4
mil computadores
(Foto: LNLS/Reprodução)
O plano é
colocar o Brasil na liderança mundial de produção de luz. Essa máquina funciona
como um grande microscópio que – ao revelar a estrutura molecular, atômica e
eletrônica dos mais diversos materiais – permite
pesquisas em praticamente qualquer área do conhecimento, com potencial de resolver
grandes problemas da atualidade.
Fontes de
luz síncrotron constituem o exemplo mais
sofisticado de infraestrutura de pesquisa aberta e multidisciplinar e é uma
ferramenta-chave para a resolução de questões importantes para as comunidades
acadêmica e industrial brasileiras. A versatilidade de uma fonte de luz
síncrotron permite o desenvolvimento de pesquisas em áreas estratégicas, como
energia, alimentação, meio ambiente, saúde, defesa e vários outros.
Essa é a
razão pela qual a tecnologia da luz síncrotron se torna cada vez mais popular
ao redor do mundo. É também o motivo pelo qual os países com economias fortes e
baseadas em tecnologia já contam com uma ou mais fontes de luz síncrotron, ou
as estão construindo
Mas o que é luz síncrotron?
(Imagem: LNLS/Reprodução)
A luz, ou
radiação, síncrotron é um tipo de radiação
eletromagnética que se estende por uma faixa ampla do espectro
eletromagnético – luz infravermelha, ultravioleta e raios X. A luz síncrotron é
produzida quando partículas carregadas, aceleradas a velocidades próximas à
velocidade da luz, tem sua trajetória desviada por campos magnéticos. A Fonte
de Luz Síncrotron é uma máquina de grande porte, capaz controlar o movimento
dessas partículas carregadas, tipicamente elétrons, para produzir essa luz
síncrotron.
Na Agricultura, a luz síncrotron pode ser
usada para análise do solo, para o desenvolvimento de fertilizantes mais
eficientes e baratos e, ao mesmo tempo, menos agressivos ao meio ambiente e à
saúde. Fontes de luz têm aplicação, também, no mapeamento da concentração,
biodisponibilidade e localização de nutrientes em espécies vegetais.
Na área de Energia, o uso de síncrotron permite o
desenvolvimento de novas tecnologias de exploração de petróleo e gás natural, e
no entendimento e desenvolvimento de materiais e sistemas para células solares,
células combustível e baterias, bem como nas pesquisas de novos materiais mais
leves e eficientes.
Na área da Saúde, pesquisas feitas com síncrotron
são fundamentais para identificação das estruturas de proteínas e unidades
intracelulares complexas, etapa importante no desenvolvimento de novos medicamentos,
assim como no desenvolvimento de nanopartículas para o diagnóstico de câncer e
combate a vírus e bactérias.
Para que uma nova fonte?
A atual
fonte de luz síncrotron brasileira, UVX, permite aos usuários fazerem
investigações empregando a maioria das técnicas experimentais possíveis em
fontes deste nível de tecnologia, com o uso de radiação infravermelha, ultravioleta e de raios X.
Apesar de
sua alta confiabilidade e estabilidade, o UVX já não atende plenamente às
necessidades dos pesquisadores. O número de estações de pesquisa instaladas no
espaço físico atual já atingiu seu
limite, e os parâmetros técnicos da máquina não permitem a realização de
diversos experimentos avançados.
A produção
científica de vanguarda demanda o uso de ferramentas atualizadas, que se
mostrem competitivas frente a outras instalações científicas semelhantes. As
fontes de luz síncrotron de alto brilho representam o que hoje existe de mais moderno para a observação de
materiais orgânicos e inorgânicos.
Assim, para
manter a infraestrutura de pesquisa do
Brasil competitiva, tanto para pesquisadores acadêmicos quanto para
empresas que desenvolvem tecnologia, o LNLS tem trabalhado, desde 2008, no
projeto e desenvolvimento de uma nova fonte de luz, uma das primeiras
consideradas de 4ª geração, que atenda as atuais necessidades científicas e
tecnológicas dos pesquisadores.
Novas possibilidades de investigação
O Sirius
terá energia duas vezes maior e
emitância (divergência do feixe de elétrons) aproximadamente 360 vezes menor que a do UVX. Essa
combinação fará com que o brilho da luz síncrotron emitida seja, em certas
frequências, mais de um bilhão de vezes
superior ao que hoje está disponível aos pesquisadores.
No UVX, a
energia do feixe de luz permite analisar
apenas a camada superficial de materiais duros e densos, já que os raios X
produzidos nessa fonte penetram esses materiais com profundidade de somente
alguns micrômetros. A alta energia do Sirius permitirá que esses mesmos
materiais sejam analisados em
profundidades de até alguns centímetros. Isso é fundamental para o estudo de aços e outros metais, além de concreto e de rochas, o que terá
impacto positivo em estudos da camada pré-sal, por exemplo.
As
características da máquina atual brasileira tampouco permitem a investigação de
determinados elementos químicos,
como é o caso da importante classe das terras raras, que só poderão ser
efetivamente estudados com fontes de luz com características como as do Sirius.
A
concentração do feixe de raios X em um foco de tamanho reduzido, que pode
chegar à ordem do micrômetro e até do
nanômetro, será também um diferencial da nova fonte síncrotron. No Sirius
poderão ser feitos experimentos em que o feixe de raios X atinge a amostra com
intensidade e, ao mesmo tempo, com foco extremamente concentrado, o que terá
impacto determinante para experimentos em nanotecnologia e biotecnologia.
História do Projeto Sirius
A nova fonte
de luz síncrotron é o resultado de um processo de expansão da atividade
científica e tecnológica no Brasil, para o qual há a inegável contribuição do
Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS). A definição atual do projeto
Sirius é fruto de um processo contínuo de transformação e amadurecimento, ao
longo do qual houveram diversos marcos importantes.
2003
É
apresentada pela primeira vez, durante a 13ª Reunião Anual de Usuários (RAU), a
necessidade de iniciar os estudos sobre uma nova fonte de luz síncrotron.
2006
Recomendação
no Plano Diretor 2006-2009 da ABTLuS (antigo nome do CNPEM) da criação de uma
força-tarefa para iniciar os estudos de um novo anel de armazenamento de baixa
emitância para o LNLS.
2008
Primeira
pré-proposta conceitual de um novo síncrotron é entregue ao Ministério da
Ciência, Tecnologia e Inovação (MCTI). O governo aprova a continuidade desses
estudos e direciona R$ 2 milhões em recursos para o projeto, valor liberado em
2009.
2009
São realizados
dois workshops com usuários para debater as características do novo síncrotron.
São definidos a energia dos elétrons (de 3 GeV) e alguns parâmetros essenciais
para o desenvolvimento do projeto básico da nova fonte.
2010
Projeto é
apresentado na IPAC10 (International Particle Accelerator Conference), em
Kyoto, Japão, já com o nome de Sirius. No mesmo ano é iniciada a busca por uma
área apropriada para a instalação da nova fonte.
2011
Comitê
Científico Internacional do LNLS registra a necessidade da construção de um
novo síncrotron e recomenda a criação de um comitê internacional (Machine
Advisory Committee, MAC) para avaliação e acompanhamento do projeto Sirius.
2012
Primeira
revisão completa do projeto Sirius é feita pelo MAC. Classificado como
síncrotron de 3ª geração, Sirius tem sua rede magnética muito bem avaliada. No
entanto o comitê recomenda a redução da sua emitância (de 1,7 para menos de 1
nm.rad). Em pouco tempo o LNLS redesenha a máquina e propõe uma emitância de
apenas 0,28 nm.rad, a menor já planejada para um sincrotron com energia de 3
GeV. Com isso, Sirius passa a ser considerado pioneiro entre os síncrotrons de
4ª geração, ao lado da fonte sueca MAX-IV. O aperfeiçoamento demanda revisões
nos projetos da rede magnética, dos componentes da fonte, do prédio e das suas
estações experimentais.
2013
Aquisição da
área de 150.000 m² dentro do Polo II de Alta Tecnologia de Campinas para
instalação do Sirius, declarado de utilidade pública para fins de
desapropriação pelo Governo do Estado de São Paulo. Se dá início à
terraplanagem do terreno.
2014
Fim da
terraplanagem do terreno, assinatura do contrato com a construtora e lançamento
da pedra fundamental da obra.
2015
Início
efetivo das obras das edificações para a nova fonte de luz. Ao final do ano,
quase 20 por cento das obras civis estavam completas.
Introdução às linhas de luz Sirius
Em uma Fonte
de Luz Síncrotron, as linhas de luz são as estações experimentais onde os
materiais são analisados. Elas são como microscópios complexos que acondicionam
e focalizam a radiação síncrotron,
para que ela ilumine as amostras dos materiais em estudo e permita a observação
de seus aspectos microscópicos.
A qualidade
das análises realizadas nas linhas de luz é determinada pelo brilho da fonte de
luz síncrotron, isto é, pelo número de fótons
emitidos pela fonte em uma determinada faixa espectral de energia, por
unidade de tempo, por unidade de tamanho e divergência angular da fonte.
Um maior
brilho não é apenas capaz de melhorar quantitativamente os experimentos com a
redução no tempo de aquisição de dados, com o aumento da precisão dos
resultados das medidas ou com o aumento no número de amostras que podem ser
analisadas num mesmo espaço de tempo.
Um maior
brilho abre oportunidades completamente
novas de pesquisa, permitindo a realização de experimentos com técnicas
impossíveis de serem executadas em síncrotrons de baixo brilho.
Novas perspectivas
O mapeamento
químico e cristalográfico de materiais com resolução nanométrica, por exemplo,
é feito com a iluminação de regiões nanométricas das amostras com luz
síncrotron. A intensidade dessa iluminação, que define a qualidade do
mapeamento obtido, é proporcional à área da região iluminada e ao brilho da
fonte. Por isso, para reduzir a área iluminada e enxergar detalhes mais finos,
mantendo a qualidade da imagem, é
necessário um alto brilho.
Da mesma
forma, para fazer imagens tridimensionais de materiais com melhor contraste e
resolução temporal, algumas linhas de luz utilizam apenas a parte do feixe que
é transversalmente coerente (ou seja, semelhante a um laser). Essa fração é
proporcional ao brilho da fonte e ao quadrado do comprimento de onda. Assim, para
se obter uma iluminação coerente intensa
com raios X (comprimento de onda pequeno) é necessário um alto brilho.
O baixo
brilho do atual síncrotron UVX impede que tenhamos hoje no Brasil, por exemplo,
linhas de luz de micro e nanofoco e
linhas de imagem por difração coerente, importantes para o desenvolvimento
das áreas de biotecnologia e nanotecnologia. Isso também impede que a
comunidade de usuários acadêmicos e industriais do LNLS realize experimentos de
alta complexidade em áreas como Arqueologia
e Paleontologia, passando por Medicina, Biologia e Agricultura, ou mesmo
nas áreas em que o síncrotron tradicionalmente é bastante empregado, como
física, química e ciência dos materiais.
A nova fonte
de luz síncrotron não será apenas capaz de melhorar quantitativamente os
experimentos que já são feitos hoje. Sirius e suas Linhas de Luz
possibilitarão, principalmente, uma mudança qualitativa para as pesquisas dos
usuários, permitindo a realização desses experimentos hoje impossíveis no País.
Novas linhas de luz
A escolha e
projeto das primeiras 13 linhas de luz do Sirius foram definidas considerando
três linhas gerais:
Acesso a Nova Ciência: aproveitar ao máximo o alto brilho
de uma fonte de luz síncrotron de quarta geração para a exploração de técnicas
como espalhamento coerente, nanofoco e espectroscopia por espalhamento
inelástico.
Melhoria da Ciência Atual: dar acesso a versões aprimoradas de
técnicas experimentais atualmente disponíveis através do alto brilho e amplo
espectro fornecido pela fonte.
Inovação em Áreas Estratégicas: prover ferramentas de alta
tecnologia para a resolução de problemas em áreas estratégicas para o País.
O projeto
para construção das 13 primeiras linhas previstas para o Sirius encontra-se em
fase de desenvolvimento técnico e prototipagem. No final de 2019, serão entregues as primeiras 5 linhas de luz, e ao final de 2020, serão entregues as 8
linhas de luz restantes.
Essas treze
linhas de luz permitirão que sejam feitos estudos sem precedentes no Brasil, em
praticamente todas as áreas do conhecimento, sejam eles de interesse acadêmico
ou industrial.
(Imagem: LNLS/Reprodução)
Perspectivas em Agricultura e Meio
Ambiente
As técnicas
baseadas em luz síncrotron encontram inúmeras aplicações na área de
agricultura, como por exemplo em análises de solo, mapeamento de nutrientes em
vegetais ou em estudos sobre contaminação.
No Sirius, o
alto brilho e fluxo de luz permitirá a realização de uma grande variedade de técnicas experimentais, com alta
resolução espacial e também química, para a compreensão dos processos
elementares que ocorrem nos solos, desde a escala atômica até escalas
micrométricas.
A análise de
composições complexas como os solos – formados por combinações sólidas e
heterogêneas de compostos orgânicos e inorgânicos, imersos em soluções aquosas
e em meio a raízes de plantas – demanda a aplicação e a combinação de diversas
técnicas experimentais, o que pode ser feito em um síncrotron de última geração
como o Sirius.
Perspectivas em Energias e Materiais
No campo da
Energia, o Sirius poderá contribuir de forma decisiva para o desenvolvimento de
materiais inteligentes, novos
catalisadores e tecnologias de exploração de petróleo e gás natural.
As técnicas
disponíveis na nova fonte de luz facilitarão a compreensão das propriedades
mecânicas e de transporte de materiais heterogêneos, como aqueles que
normalmente abrigam o óleo e o gás natural. Permitirá também estudos em
diversas condições de temperatura e
pressão, úteis para o avanço de técnicas de exploração em águas profundas.
Sirius irá
oferecer um conjunto de ferramentas que permitirá enxergar, em detalhe, as interações entre partículas elementares,
como fótons e elétrons, as ligações químicas e suas escalas de comprimento. A
combinação dessas ferramentas é essencial para o desenvolvimento de novos
materiais, de catalisadores mais eficientes e seletivos ao produto químico de
interesse e de novas formas de armazenar eletricidade, além de sistemas para
células solares, células combustível e baterias.
Perspectivas em Saúde e Fármacos
Pesquisas
feitas com síncrotron são fundamentais para identificação das estruturas
tridimensionais de proteínas, isto é, as posições de cada um dos seus átomos e
suas interações, etapa importante no desenvolvimento de novos medicamentos.
Nesta área,
o Sirius abrirá possibilidades de desvendar
proteínas complexas, ainda não investigadas, além de proteínas como as
quinases, que participam na regulação de processos celulares, e que por isso
têm sido alvos importantes no tratamento de alguns cânceres, doenças
inflamatórias e diabetes. Além disso, a técnica de cristalografia de proteínas
com feixes de raio X micrométricos possibilitará avanços na compreensão das
estruturas fundamentais do vírus HIV e de seu mecanismo de ação.
No Sirius,
as técnicas de imagens com resolução espacial nanométrica poderão trazer
enormes contribuições na análise de
órgãos e tecidos. Imagens obtidas por contraste de fase permitirão a
distinção de tecidos biológicos com contraste mil vezes melhor do que obtido
hoje, podendo trazer grandes benefícios no estudo do câncer, por exemplo. Além
disso, técnicas de tomografia por raios X moles e “tender” que estarão
disponíveis no Sirius permitirão obter imagens de células com resolução
suficiente para entender a estrutura de
organelas.
No futuro, a
combinação de técnicas de imagem por luz síncrotron e de cristalografia de
proteínas permitirá ter uma visão global
dos mecanismos de metabolismo celular, desde o nível atômico até o nível de
tecido, com impacto científico inédito na área da saúde. Com o Sirius, o Brasil
poderá participar e se tornar um dos líderes desta revolução científica,
prevista para as próximas décadas.
Fundação
A fundação
do prédio que abrigará o Sirius será
dividida em duas, totalmente independentes entre si. A primeira, composta
por 910 estacas com diâmetros entre 40 centímetros e um metro e profundidade
média de 18 metros, será totalmente intertravada com vigas baldrames, tendo como função suportar a estrutura do prédio.
Já a segunda
fundação suportará o piso do hall experimental e a blindagem dos aceleradores.
Além do papel de simples suporte do piso e componentes sobrepostos, ela tem a
função de evitar os recalques
diferenciais e a propagação de vibrações, sejam elas geradas internamente
ou provenientes dos ambientes externos.
A fundação
será composta por uma camada de 2,85 metros de profundidade de solo modificado, obtido a partir da
remoção do solo local, seguida pela mistura com cimento e reaplicação em
pequenas camadas, com alto grau de compactação. O processo confere maior
resistência (especificado 2 MPa) e rigidez, mitigando vibrações propagadas pelo
solo.
Na região da
blindagem dos aceleradores a camada de solo modificado será apoiada em 1322
estacas, com 40 centímetros de diâmetro e 15 metros de comprimento. A interface
entre o solo modificado e as estacas será feita por duas camadas de seixo-cimento, contidas por geogrelhas e apoiadas em capiteis sobre
as estacas. Todas as estacas de
fundação serão do tipo hélice continua
monitorada, o que confere à fundação grande uniformidade construtiva.
Edificação
(Imagem: LNLS/Reprodução)
A estrutura
da edificação será feita em concreto
armado fundido in loco e todos
os seus pisos, incluindo o térreo, serão também construídos em lajes de concreto armado. Assim, a
estrutura apresentará grande rigidez, reduzindo a propagação de vibrações
provenientes da ação dos ventos, da circulação de pessoas e do funcionamento
dos equipamentos e das instalações.
A cobertura
será feita em telha zipada de perfil
cônico com isolamento de baixa transmitância térmica. Isso confere grande
estanqueidade térmica e economia de energia, garantindo o controle de
temperatura de alta estabilidade exigido pelo ambiente. As paredes internas, em
sua maioria, serão do tipo dry-wall
preenchidas com lãs de vidro. Já a fachada externa do prédio será feita em pele de vidro sombreada por brises.
Tendo em
vista a necessidade de alta disponibilidade dos aceleradores, as duas
subestações de média tensão previstas para esta edificação operam com circuitos redundantes. Os ramais
alimentadores, seus cubículos de medição, proteção e manobra até seus
transformadores abaixadores serão
duplicados, o que permitirá a continuidade da operação caso ocorra a falha
de um deles.
Para atender
à expectativa de qualidade de energia demandada pelas fontes dos aceleradores,
estão previstos quatro conjuntos de UPS (no-breaks) configurados para
redundância N+1, com potência de 900+300 KVA cada. Esses equipamentos suprimem
as oscilações momentâneas da rede elétrica, operam com alto fator de potência
e, devido à tecnologia fly-wheel,
proporcionam rendimentos acima de 95% sem a necessidade do uso de baterias
Uma edificação diferenciada
Com 68 mil
metros quadrados de área construída, o prédio principal terá quatro pavimentos
com capacidade para até 620 pessoas, entre funcionários e visitantes. O formato predominantemente circular do
edifício do Sirius é resultado da geometria do acelerador principal (anel de
armazenamento), onde os elétrons são armazenados e a luz síncrotron é
produzida.
Ele abrigará
os três aceleradores de elétrons e
as possíveis 40 linhas de luz, seis das quais são consideradas longas, com
comprimentos variando de 100 a 150 metros. A edificação e sua implantação são
pensadas de maneira que seja possível, ainda, construir duas futuras linhas com
estações experimentais a até 250 metros de distância.
Além da área
experimental, este prédio possui em seu interior áreas destinadas a utilidades e às fontes dos aceleradores. Em seu
entorno haverá laboratórios de apoio, data centers, sala de operação e
controle, áreas de convívio e escritórios.
A partir do
centro da circunferência distinguem-se 5 faixas principais e concêntricas: Pátio Interno, Área de Engenharia, Blindagem
dos Aceleradores, Hall Experimental, Área de Apoio.
Fontes:
- Sirius: 1ª etapa da maior estrutura científica do País será inaugurada nesta quarta; veja números