Europa inicia la construcción de su láser de rayos X, ubicado en Alemania

Europa quiere dotarse de infraestructuras científicas que ayuden a los investigadores europeos a producir ciencia competitiva. Uno de los primeros pasos hacia ese objetivo fue la publicación, en otoño de 2006, del primer plan de infraestructuras de investigación europeas, que incluía 35 grandes instalaciones.

La semana pasada, en la inauguración de la Conferencia sobre Infraestructuras Europeas de Investigación, celebrada en Hamburgo (Alemania), se aprobó la primera de estas infraestructuras tras la firma de los acuerdos entre los socios internacionales. Se trata del láser europeo de rayos X de electrones libres XFEL, cuya construcción comenzará a finales de este año y que debería estar listo en 2013. El proyecto, en el que participa España, aspira a convertirse en la instalación más potente de su clase.

"Este complejo instrumento nos permitirá contemplar por primera vez el funcionamiento de las moléculas, los átomos, los procesos químicos", señaló durante la presentación Albrecht Wagner, presidente del centro de aceleradores DESY, en Hamburgo, el organismo donde se instalará el láser XFEL.

Con este láser se podrá analizar la materia a escala atómica, y además los pulsos de radiación X serán tan rápidos que con la información obtenida se podrá construir una película tridimensional de las interacciones moleculares. "Los flashes del XFEL serán tan cortos que se usarán para filmar las reacciones químicas", explicó Massimo Altarelli, director del proyecto XFEL. La rapidez de los pulsos es importante también por un detalle básico: permite obtener información de la muestra antes de que ésta estalle por la propia energía contenida en el pulso.

Además, la alta resolución que proporcionan los rayos X elimina la necesidad de cristalizar las muestras. Esto es "una auténtica revolución", afirmó Altarelli. "Hoy día, para entender la estructura atómica de las moléculas muy grandes -las proteínas, las enzimas e incluso los virus, complejos moleculares gigantes- antes hay que cristalizarlas [de forma que cada cristal contiene millones de moléculas alineadas, lo que permite obtener una señal lo bastante intensa]. Pero algunas proteínas es muy difícil o totalmente imposible cristalizarlas. Aquí haremos que el láser atraviese un haz de esas moléculas, y esencialmente reconstruiremos la estructura atómica de la molécula sin necesidad de cristalizar", explicó.

En los láseres de electrones libres son los propios electrones los que, después de ser acelerados hasta que rozan la velocidad de la luz, emiten luz láser al pasar por un determinado campo magnético. La radiación emitida depende de la velocidad de los electrones y de las características del campo magnético. En el caso de XFEL, la energía de la radiación láser está en el rango de los rayos X. Hay muchos láseres de electrones libres operativos por el mundo, pero aún no existe ninguno que llegue a los rayos X duros. Estados Unidos y Japón tienen sendos proyectos, de los que el más adelantado es el estadounidense, el Linac Coherent Light Source (en Stanford, California), cuya puesta en marcha se prevé para 2009.

Pero Altarelli asegura que "cuando el XFEL empiece a funcionar se colocará inmediatamente en la vanguardia". Una de las razones es que "la máquina de Linac podrá emitir sólo hasta 120 flashes por segundo, comparados con los al menos 30.000 que emitiremos nosotros". Es esta última habilidad la que permite ver la película de las reacciones químicas.

XFEL ocupará un túnel rectilíneo de 3,4 kilómetros de longitud excavado a entre 6 y 38 metros de profundidad, que partirá del campus de DESY. Cada uno de sus pulsos durará menos de 100 femtosegundos (un femtosegundo es una milbillonésima de segundo). Su tecnología se basa en gran parte en lo ya probado en un láser de electrones libres en funcionamiento desde agosto de 2005 en DESY, el FLASH.

Presentado como "el hermano pequeño" de XFEL, FLASH ocupa un túnel de 260 metros de longitud y genera un haz mucho menos energético que XFEL: radiación ultravioleta y rayos X blandos -longitud de onda entre 6 y 60 nanómetros-, frente a los rayos X de XFEL -0,1 nanómetros-. Por eso, la resolución de FLASH permite penetrar en la materia a la escala de las moléculas, pero no a la de los átomos como XFEL.

Ya hay, no obstante, una alta demanda de uso de FLASH -el primer láser de electrones libres de ultravioleta extremo que existe- desde áreas como física del estado sólido; física de superficies; plasma; o biología molecular. Y ya ha sido posible demostrar con FLASH que, efectivamente, se podrá obtener la estructura de moléculas sin necesidad de cristalizarlas.

Pero, a pesar de la escuela de FLASH, Altarelli aseguró que "XFEL supone un desafío tecnológico muy importante, porque cuanto más pequeña sea la longitud de onda, más exigentes son los requisitos tecnológicos". "Para iniciar el proceso de electrones libres hay que controlar el haz de electrones de forma muy precisa, así que necesitas una mecánica 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", precisó Altarelli.

Al lanzamiento del XFEL asistieron, entre otros, la ministra alemana de Investigación, Anette Schavan, y sus homólogos en Francia -Valérie Pécresse- y Rusia -Andrej Fursenko-. En el acuerdo firmado se aprobó una primera fase del proyecto, con un coste de 850 millones de euros que aportará Alemania -en un máximo del 75%- y otros 13 socios (Dinamarca, Francia, Grecia, Hungría, Italia, República Checa, China, Polonia, Rusia, España, Suecia, Suiza y Reino Unido), que cubrirán un mínimo del 25% y hasta un 40% del proyecto. La participación española es, por ahora, del 2% del total. En esta fase, el XFEL contará con seis estaciones experimentales, aunque en su versión final, que costará unos 1.100 millones de euros, tendrá 10 estaciones.

Fuente de neutrones

La lista de grandes instalaciones presentada en otoño de 2006 pretende cubrir las necesidades científicas de las próximas dos décadas en distintas áreas: ciencias sociales y humanidades; energía; ciencias ambientales; ciencias de la vida y biomédicas; materiales; astronomía, astrofísica y física nuclear y de partículas; y ciencias de la computación. El plan incluye, por ejemplo, la Fuente Europea de Neutrones por Espalación, con un coste superior a los mil millones de euros y para la que el País Vasco es candidato como sede -compite con otras cuatro candidaturas en Suecia, Reino Unido, Alemania y Hungría-.

También está en el plan el Telescopio Extremadamente Grande ELT (Extremely Large Telescope), que tendría un espejo de más de 30 metros de diámetro y costaría unos 850 millones de euros. Otra gran instalación será el buque polar Aurora Borealis, capaz de penetrar en el océano Ártico 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 Investigación (ESFRI), John Wood, reconoció que la lista de 35 instalaciones se había elaborado bajo una fuerte presión de tiempo, y que "llegó a dudar de que se consiguiera".

Wood y Eckhart Curtius, también de ESFRI, explicaron que por esa falta de tiempo algunas áreas no estuvieron tan bien representadas como debieran, en concreto las de energía, medio ambiente y supercomputación. A las prisas puede también atribuirse, según estos expertos, el que la propia comunidad científica no participara suficientemente en el proceso de selección de las instalaciones. Por eso ESFRI "sigue abierto a propuestas", recordó Curtis, que adelantó que en otoño de 2008 se publicará una lista actualizada de futuras instalaciones.