Disparé uno de los láseres más potentes de Estados Unidos: así es como se ve un día de disparos

Si cruzas el patio abierto fuera del Edificio de Física, Matemáticas y Astronomía de la Universidad de Texas en Austin, verás una torre de 17 pisos y un enorme edificio en forma de L. Lo que no verás es lo que hay debajo de ti. Dos pisos bajo tierra, detrás de pesadas puertas dobles con un logotipo estampado que la mayoría de los estudiantes nunca notan, se encuentra uno de los láseres más poderosos de los Estados Unidos.

Fui el científico líder en láser en Texas Petawatt, o TPV como lo llamábamos, de 2020 a 2024. Texas Petawatt, que actualmente está cerrado debido a recortes de fondos, era un centro de investigación financiado por el gobierno donde científicos de todo el país competían por tiempo para usar equipos especializados. Formaba parte de LaserNetUS, la red de laboratorios láser de alta potencia del Departamento de Energía.

Este tipo de láser toma un pequeño pulso de luz, lo estira para que no rompa la óptica y lo amplifica hasta que, por un corto tiempo, transporta más energía que toda la red eléctrica de Estados Unidos. Luego comprime el pulso nuevamente a una billonésima de segundo para crear una estrella en una cámara de vacío.

En un día típico de tiro, el objetivo podría ser un trozo de lámina metálica más delgada que un cabello humano, un chorro de gas o una pequeña bola de plástico, cada uno diseñado para responder diferentes preguntas científicas.

Científicos de todo el país se han apuntado al TPV para estudiar desde la física del interior de las estrellas y la energía de fusión hasta nuevos enfoques para el tratamiento del cáncer.

La mayoría de la gente oye hablar de los láseres de petavatios y se imagina algo sacado de una película. Un “día de rodaje” son en realidad horas de trabajo silencioso y repetitivo seguidas de unos 10 segundos en los que nadie respira.

Ahora trabajo como investigador en la Universidad de Texas-Austin, estudiando la interacción de los láseres con diferentes materiales, pero un día típico de rodaje mientras ejecuto TPV se vería así:

7 am

Llego dos horas antes de la primera grabación programada. Me pongo el vestido, las botas y la redecilla y entro en la habitación fresca y limpia. El láser no se enciende simplemente. Le insta a que se despierte.

Empiezo con un oscilador, una pequeña caja que genera la primera semilla de luz. Anoto los parámetros que definen cómo se comportará el láser durante la grabación: energía, frecuencia central, presión de vacío en los tubos, nivel de agua de refrigeración y caudal. En esta etapa, se fijan independientemente del experimento. El láser debe funcionar de la misma manera cada vez antes de que pueda comenzar la ciencia. Luego enciendo los láseres de bomba que amplificarán este pequeño pulso de nanojulios a aproximadamente medio julio.

Anatomía de un láser de petavatios. Un pequeño pulso comienza en el oscilador, se estira en el tiempo para evitar daños a la óptica, se amplifica a través de etapas progresivamente más grandes y luego se comprime nuevamente durante una billonésima de segundo dentro de la cámara de vacío a la derecha. Ahmed Helal, Fourni por el autor

El sistema necesita al menos 30 minutos para estabilizarse. Durante este tiempo verifico la alineación a través de cada orificio y cada cámara a lo largo de la trayectoria del haz. Una ligera desalineación en esta etapa no es sólo un problema; puede ser catastrófico: un rayo mal dirigido a máxima potencia puede quemar una óptica que lleva meses obtener y reemplazar, retrasando todo el láser.

Construcción de vigas

Una vez que el sistema se calienta, envío un haz al primer amplificador: una varilla de vidrio rodeada de lámparas de destellos brillantes que bombean luz al vidrio, como cargar una batería. Con cada pasada, el rayo absorbe energía del vidrio y se fortalece. Luego, el rayo viaja hasta una varilla más grande, donde hace cuatro pasadas, recogiendo más energía cada vez hasta alcanzar unos 12 julios, aproximadamente la energía de una pelota lanzada con fuerza a través de la habitación.

Este proceso por sí solo lleva casi una hora, la mayor parte de la cual se dedica a verificar y confirmar la alineación y la energía en cada etapa.

La carcasa azul contiene la última y más potente etapa del láser. Los cables que van desde el techo transportan electricidad desde una sala de condensadores dedicada arriba, donde enormes bancos de carga almacenada iluminan las lámparas de destello que le dan al haz su último y mayor impulso de energía. Ahmed Helal

Expando el haz y lo envío a través de la etapa final: el disco amplificador. Los dos amplificadores, cada uno de los cuales consta de dos enormes discos de vidrio de 30 cm, son bombeados por una enorme variedad de lámparas de destello alimentadas por bancos de condensadores, esencialmente baterías gigantes que almacenan electricidad y la liberan en ráfagas repentinas. Son tan grandes que tienen su propia habitación en un piso separado. Los obturadores ópticos rápidos entre cada etapa actúan como puertas, controlando exactamente cuándo y dónde viaja el haz.

el tiro

Una vez que el equipo experimental confirma que el objetivo está en posición, me piden que me prepare para un disparo al sistema. Reviso una larga lista de verificación. Probamos las contraventanas y cambiamos al modo de grabación del sistema. Cada monitor en las instalaciones cambia para mostrar el mismo mensaje – “Modo de disparo del sistema” – y parpadea en rojo.

La sala de control de Texas Petawatt permite a los científicos monitorear varios parámetros y métricas. En el lado izquierdo hay un gran botón rojo de parada de emergencia. Ahmed Helal

Me inclino sobre el micrófono en el escritorio de control, una pieza antigua que parece haber pertenecido a una sala de radio de la Segunda Guerra Mundial, y anuncio que vamos a realizar una grabación del sistema. Luego abro el descargador del haz del compresor: una pesada placa de vidrio que normalmente impide que el haz alcance su objetivo. Se necesitan unos dos minutos para moverse.

“Limpiar, limpiar para obtener una instantánea del sistema”.

El anuncio se realiza a través de altavoces repartidos por toda la instalación. Agarro la pequeña llave de la cerradura, me pongo las gafas láser y bajo las escaleras. Camino siguiendo un patrón por cada habitación, asegurándome de que no haya nadie dentro todavía. Cierro todas las puertas con llave a medida que avanzo. Si alguien abre una de esas puertas después de que las haya cerrado, toda la secuencia de grabaciones se interrumpe.

Los científicos de Texas Petawatt anuncian la grabación a través del micrófono en la sala de control. Ahmed Helal

De vuelta en la sala de control, me siento y empiezo a cargar los bancos de condensadores. En este punto no hay vuelta atrás excepto por un apagado de emergencia, lo que significa que pierdes la oportunidad y esperas a que todo se enfríe.

“Cargando”.

La habitación quedó en silencio. Los ojos de todos están puestos en los monitores. Nadie está hablando.

Por lo general, compartiré la vista con el investigador para cuyo proyecto es la inyección; hoy es Joe, un científico visitante en el Laboratorio Nacional de Los Álamos, quien diseñó el objetivo que estamos a punto de vaporizar. Está sosteniendo una taza de café como si le debiera dinero. Vuelvo a la consola.

“Carga completa. Tres, dos, un sistema de disparo. Fuego”.

Presiono el botón. Un fuerte golpe recorre el edificio mientras toda la energía almacenada es arrojada a una viga. Los monitores se congelan y registran todo en el momento de la grabación: perfiles de haz, espectros, diagnósticos: estos indicadores dan una imagen completa de cómo funcionó exactamente el láser y si la grabación fue limpia. Abajo, en la cámara de vacío, un punto más pequeño que un cabello humano acaba de alcanzar una temperatura medida en millones de grados.

Me siento en la silla y empiezo a registrar los parámetros del láser mientras todos exhalan. Un oficial de seguridad radiológica desciende primero para comprobar las lecturas alrededor de la cámara objetivo antes de que alguien más pueda entrar. El equipo experimental supervisa la recopilación de datos.

A veces todo sale perfecto. A veces el obturador no se abre y pierdes la toma.

Por ejemplo, una tarde de 2023, pasamos tres horas preparándonos para una toma de alta prioridad. El objetivo está alineado. Condensadores cargados. Presioné el botón y no escuché nada. La persiana ha fallado en algún punto de la cadena. Los monitores permanecieron congelados, mostrándose en negro. Nadie dijo nada. Escribí DISPARO FALLADO en el diario y comencé una secuencia de enfriamiento de una hora. Esa es la parte que no muestran en las películas: sentarse en silencio, esperando que vuelva a intentarlo. Recibimos las imágenes cuatro horas después.

Esta anticipación es parte del trabajo: horas de paciencia de 10 segundos a las que nunca te acostumbras. Todo sucede debajo del campus, donde miles de personas caminan sobre ellos, sin darse cuenta de que durante una fracción de segundo hay una pequeña mancha de materia más caliente que la superficie del Sol bajo sus pies.