Primeira etapa do Projeto Sirius, nova fonte de luz síncrotron brasileira, é inaugurada hoje



Primeira etapa do Projeto Sirius, nova fonte de luz síncrotron brasileira, é inaugurada hoje
(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.

  


Instalações Elétricas

 

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:

- Projeto Sirius

- Sirius: 1ª etapa da maior estrutura científica do País será inaugurada nesta quarta; veja números


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