Sirius, o maior e mais complexo laboratório brasileiro

Ele é formado por três aceleradores de elétrons dos quais se extraem feixes concentrados de uma luz especial capaz de penetrar profundamente...

Ele é formado por três aceleradores de elétrons dos quais se extraem feixes concentrados de uma luz especial capaz de penetrar profundamente até em materiais muito densos e produzir imagens nítidas de sua estrutura microscópica. O Sirius está sendo instalado em uma construção especial de 68 mil metros quadrados, isolado das vibrações e da temperatura do exterior.

Quando estiver em funcionamento, também permitirá reconstituir o movimento de fenômenos químicos e biológicos ultrarrápidos que ocorrem na escala dos átomos e das moléculas, importantes para o desenvolvimento de fármacos e materiais tecnológicos, como baterias mais duradouras. Esse é o Projeto Sirius. O maior e mais complexo laboratório do Brasil. Veja o vídeo produzido pela Fapesp e entenda os desafios enfrentados por esse bilionário empreendimento científico onde cada detalhe exige soluções inovadoras na missão de posicionar o país no estado da arte da física.



Harry Westfahl Júnior: Este projeto está no limite do que a física permite.

Para que isso possa ser aproveitado, certas tecnologias que eram necessárias para se construir esse acelerador simplesmente não existiam.

Oscar Horácio Vigna Silva: O grande desafio é que ninguém consegue precisar as premissas de construção.

Fazer um piso com esse nível de planicidade, desenvolver concreto que não fissure, não é uma coisa trivial – ninguém tinha feito.

Harry Westfahl Júnior (Coordenador de Linhas de Luz - Projeto Sirius): Síncrotrons são equipamentos de grande porte.

Existem cerca de 60 síncrotrons no mundo.

São equipamentos que produzem radiação eletromagnética de amplo espectro, desde infravermelho até raios-x, e servem para iluminar materiais e estudar suas características microscópicas até nível atômico – diferentes tipos de materiais e diversos tipos de aplicação.

A luz síncrotron é produzida através da aceleração de cargas, partículas elementares carregadas, a velocidades muito próximas à da luz.

Quando acelerados por forças geradas por campos magnéticos intensos, ele produz radiação eletromagnética de amplo espectro e de altíssima intensidade, cujo centro de emissão – a fonte – é muito pequeno, tem alguns mícrons, do tamanho de um fio de cabelo mesmo.

É o que caracteriza o que a gente chama de alto brilho dessas fontes. Além de universal e de amplo espectro, ela tem um altíssimo brilho.

A importância disso é que quando a fonte é muito pequena, é mais fácil focalizar no material, em spots muito pequenos para você fazer mapeamentos químicos, mapeamentos estruturais, imagens tridimensionais.

Antonio Ricardo Droher Rodrigues (Coordenador dos Aceleradores - Projeto Sirius): Não se conhece no mundo um instrumento de pesquisa que seja tão universal, de longe, quanto um síncrotron, porque ele se aplica a tudo: desde a biologia até a museologia.

O que se pensar, alguém já fez um experimento usando um síncrotron.

Quanto maior o brilho de uma fonte, mais acuradas suas medidas – vários tipos de técnicas e medidas que se faz com raio-x, com ultravioleta, com infravermelho, com tudo.

Aí que está o grande caminho dos vários laboratórios do mundo – em direção a feixes cada vez mais brilhantes.

Antonio José Roque da Silva (Diretor do Projeto Sirius): Qualquer país do mundo que precisa resolver problemas econômicos e sociais da sua população, todos esses países operam, mantêm, e constroem infraestruturas diferenciadas para todo o seu sistema de pesquisa.

No Brasil, o UVX opera há 30 anos, e vem atingindo mais de 1000 pesquisadores por ano nas mais diversas áreas do conhecimento.

Entretanto, a sofisticação das questões científicas exige um equipamento mais competitivo, e é isso que o Sirius vem fazer, ele vai ser um dos mais competitivos do mundo, e ele vai trazer um ganho de, em alguns casos, 10.000 em termos de velocidade em relação ao que tem de mais moderno no mundo hoje em operação, aumentando a resolução espacial em relação ao UVX, por exemplo, em um fator de mais de 1.000.

Esses aceleradores aceleram partículas chamadas elétrons, só que eles viajam livres dentro de uma câmera de vácuo.

Esses feixes elétricos são acelerados em energias muito altas.

No caso do UVX, essa energia é perto de 1.4 bilhão de volts. No caso do Sirius, é 3 bilhões.

A máquina antiga, que ainda funciona aqui no laboratório, tem um feixe de 1mm por 0,1mm.

O SIRIUS tem um feixe de 0,01mm por 0,01mm. É muito menor.

Entre 2009 e 2012, fizemos um desenvolvimento de um projeto que era um síncrotron de terceira geração.

E, em 2012, convidamos um painel internacional para fazer a avaliação do projeto.

Disseram que estava muito bom para 2012, mas recomendavam fortemente que avaliássemos a possibilidade de migrar para uma nova tecnologia que estava começando a surgir com a construção do síncrotron sueco chamado MAX IV.

Esse painel falou:

“Existem enormes desafios tecnológicos, porque ninguém nunca construiu algo com essa nova tecnologia, não tem nenhum no mundo operando. Mas vocês do Brasil têm uma oportunidade bastante interessante”.

E a equipe então assumiu esse desafio e isso exigiu, desde o final de 2012, um completo redesenho de todos os componentes dos aceleradores e linhas de luz.

Um equipamento como esse exigiu uma série de desenvolvimentos de alta tecnologia, desde a parte civil, que é uma construção extremamente sofisticada, até todos os componentes dos aceleradores das linhas de luz, nas mais variadas áreas de mecânica fina, de detectores de raios-x, de mecânica de alta precisão, de eletrônica, sistemas de controle etc.

E fizemos isso em parceria com empresas brasileiras – pequenas, médias e grandes – de tal maneira que os gastos do projeto, em torno de 85% ou 86% deles ficaram no país, distribuídos por essas empresas todas.

Oscar Horácio Vigna Silva (Coordenador de Obras Civis - Projeto Sirius): Nesse prédio são dois anéis, circulares e concêntricos.

Nesse externo temos as salas de apoio para o pessoal que opera as linhas de luz, escritórios, galeria técnica em cima.

Na parte interna temos a galeria de instalações.

E a forma de você acessar o interior da blindagem onde ficam os aceleradores é através de sete passarelas com essas aqui: a gente passa por cima da blindagem e acessa o interior do prédio.

Estamos no que a gente chama de “hall experimental”. O que caracteriza essa região é uma planicidade muito alta.

Esse piso tem 600 metros de circunferência média e a gente manteve o nivelamento dele dentro de 20mm entre o ponto mais baixo e o ponto mais alto.

O prédio todo é pensado para que qualquer excitação mecânica que eu tenha lá fora não seja transferida para essa região onde ficam as estações experimentais.

Fontes de radiação síncrotron são feitas para estudar estruturas moleculares, até atômicas.

São coisas muito pequenas. Vibrações põem tudo a perder.

Tudo aquilo que produz vibrações, a gente isola com molas, e a ideia é não excitar a estrutura quando os fluidos circularem por essas tubulações.

Normalmente é água gelada para fazer ar condicionado, para refrigerar componentes, ou circuitos que trazem água com estabilidade térmica muito alta para fazer a estabilização térmica de equipamentos.

O outro grande desafio foi fazer a blindagem, que é essa estrutura: um túnel com paredes de 1m ou 1,5m de espessura em concreto, construído de tal maneira que os 500m de circunferência média se tornem uma única peça, não tenha juntas de dilatação.

A estrutura da cobertura está toda apoiada em amortecedores de borracha, então a ideia é que a estrutura, com a ação de ventos, não transfira vibrações para o prédio.

Removemos todo esse solo e depois devolvemos esse solo, enriquecendo esse solo com cimento.

O resultado disso é um grande maciço muito bem enrijecido, que deforma muito pouco.

Tudo isso é independente da estrutura do prédio: tanto à direita aqui, quanto ali dentro, elas não têm ligação nenhuma com o piso onde a gente está em cima agora.

Aqui a gente está exatamente na divisa entre o prédio e o piso especial.

Então, aqui estão montados os aceleradores, as linhas de luz, e 90cm abaixo disso tem um gap, um espaço vazio, que garante que essa estrutura não tenha contato físico com essa estrutura aqui.

Antonio Ricardo Droher Rodrigues: Aqui começa a viagem dos elétrons para o síncrotron.

São produzidos nessa peça que é um canhão de elétrons.

Aquece uma peça de metal e emite espontaneamente elétrons, em bem baixa energia.

Você aplica uma tensão, no caso, de 100kv, e você acelera esses elétrons a uma energia pequena comparada aos 3 bilhões a que queremos chegar lá no final.

Indo mais pra frente, agora teríamos terminado a aceleração.

Isso acontece nesse ponto.

Daqui para a frente, a energia dos elétrons é constante, eu só tenho que transportar esses elétrons até a próxima máquina.

O feixe foi transportado desde o Linac, e estamos chegando perto do booster, cuja função é pegar a energia baixa desses 150 milhões de volts e elevar para 3 bilhões de volts.

E na parede externa, olhando para lá, temos o anel de armazenamento.

Ele é de alta estabilidade e altíssima focalização, mas ele funciona só em 3 bilhões de volts.

Esta é a fonte do síncrotron propriamente dito, é isso que vai gerar a luz para os usuários.

Temos um longo caminho: dois aceleradores antes, o booster consegue dar dois pulsos por segundo, e isso vai acumulando nesta máquina até atingir a máxima corrente de operação.

Antonio José Roque da Silva: Você está vendo que o túnel tem uns dentes.

Na parte inferior deles, você tem um orifício, e desses orifícios você extrai uma determinada linha de luz.

Nessa em particular, esse “dentezinho”, já foi ocupado por uma estrutura branca que chamamos de cabana ótica: você tira a radiação síncrotron, que depois será conectada à essa segunda estrutura, que a gente chama de cabana experimental.

Nela é que de fato os experimentos vão ser feitos.

Aqui é onde a ação do dia a dia do Sirius vai ocorrer do ponto de vista de experimentos.

Harry Westfahl Júnior: Esse conjunto de camadas, ambas pertencem à linha Manacá, ela permitirá estudar a estrutura tridimensional de macromoléculas, de proteínas, e como medicamentos interagem com essas moléculas, como se acoplam com essas moléculas.

Outras linhas de luz estão sendo criadas, e cada uma delas tem um propósito um pouco diferente:

• A linha Cateretê permitirá fazer imagens tridimensionais com resolução nanométrica de objetos como células ou grânulos de catalisadores.
• A linha Carnaúba permitirá fazer mapeamentos químicos com resolução nanométrica de materiais como fertilizantes, solos, catalisadores também.
• A linha Mogno permitirá fazer tomografias de objetos maiores, de cerca de alguns poucos centímetros, pela sua capacidade de penetração, um raio-x de alta energia.
• A linha Ema permitirá estudar materiais em condições extremas de temperatura, de pressão e campos magnéticos, e como novas fases da matéria surgem nessas condições.
• E a linha Ipê permitirá fazer espalhamento inelástico de raio-x, espectroscopia de fotoelétrons, visando tanto entender como as cargas elétricas estão organizadas em um material, quanto como as etapas de reação química ocorrem durante a formação de ligações químicas em enzimas e catalisadores.

A gente está agora em uma fase de finalização de montagem dos aceleradores.

E assim que você começa a ter os elétrons circulando no acelerador principal, você também vai poder começar a ter feixes saindo das linhas de luz, passando por um período de alguns meses de comissionamento para saber que o equipamento está funcionando corretamente.

Antonio José Roque da Silva: Eu considero este um projeto estruturante para o Brasil.

Ele vai fornecer para a comunidade científica o que há de mais moderno em em questões de análise de materiais.

Em praticamente qualquer área do conhecimento em que você queira acessar essas perguntas, em um caráter mais fundamental, é possível utilizar um equipamento como esse.

E o que o Sirius, na verdade, vai ser é um dos equipamentos mais modernos do mundo, permitindo portanto que toda a comunidade brasileira, nas mais diversas áreas, tanto acadêmica quando industrial, possam vir aqui fazer seus experimentos.

É para isso que serve toda uma estrutura como esta aqui.

Fonte: Pesquisa Fapesp (YouTube)
[Visto no Brasil Acadêmico]