Republicado com a gentil permissão do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley. Acesse aqui para ler o artigo original.
Por Carl A. Williams
O Departamento de Energia dos EUA (DOE)'S Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab), Em parceria com Tecnologias Ideon, recebeu financiamento do Departamento de Energia Agência de Projetos de Pesquisa Avançada - Energia (ARPA-E) por meio da iniciativa Reliable Ore Characterization with Keystone Sensing (ROCKS). O projeto de três anos visa garantir o fornecimento nacional de minerais críticos — materiais essenciais para energia, indústria e segurança nacional — por meio da obtenção de imagens em profundidade abaixo da superfície da Terra com uma precisão que as técnicas de sensoriamento convencionais não conseguem igualar.
No centro do projeto estão os múons: partículas subatômicas naturais com extraordinário poder de penetração. Há anos, a Ideon Technologies, em colaboração com a indústria de mineração, utiliza múons “passivos” — produzidos quando raios cósmicos colidem com partículas atmosféricas — para mapear depósitos minerais e compreender o subsolo da Terra. No entanto, como esses múons vêm de cima, a obtenção de imagens é limitada para detectores localizados abaixo de um corpo de minério ou formação geológica de interesse. Eles também chegam em pequeno número — aproximadamente um múon por centímetro quadrado por minuto — portanto, a formação de uma imagem pode levar vários dias, semanas ou meses de exposição, dependendo da profundidade e da resolução de imagem necessárias.
O projeto visa fornecer feixes de múons de alto fluxo que possam ser direcionados a potenciais alvos de imagem, incluindo jazidas de minério, para produzir imagens 3D de alta resolução que reduzam os atuais prazos de descoberta e caracterização de minerais de meses para horas, acelerando assim o processo desde a descoberta até a extração mineral. Para criar tal fonte, um acelerador de partículas de alta energia deve ser compacto e móvel o suficiente para aplicações em campo.
“Os múons com energias em torno de 10 gigaelétron-volts (GeV) são de grande interesse porque podem penetrar camadas de rocha, solo e minério com até 20 metros de espessura; múons de energia mais alta, na faixa de 30 GeV a 100 GeV, podem penetrar de 50 metros a mais de 100 metros”, diz Jeroen van Tilborg, cientista sênior e vice-diretor de experimentos do Centro BELLA na Divisão de Tecnologia de Aceleradores e Física Aplicada (ATAP) do Laboratório Berkeley, e investigador principal do projeto.
Esta fonte de múons “ativa” é viabilizada por aceleradores de plasma a laser pioneiros no BELLA, uma instalação a laser de última geração dentro da Divisão ATAP. Esses sistemas utilizam pulsos de laser intensos e ultracurtos para deslocar elétrons em um plasma, criando uma onda eletrostática — conhecida como campo de esteira — que produz campos de aceleração ordens de magnitude maiores do que os alcançáveis em aceleradores convencionais. Esses campos de esteira podem acelerar feixes de elétrons a energias de múltiplos GeV em distâncias da ordem de centímetros. Os elétrons são então direcionados a um alvo sólido, onde geram feixes de múons que são de três a quatro ordens de magnitude mais intensos do que o fluxo natural, preservando a energia dos elétrons incidentes.
“A produção dos feixes de elétrons de alta carga e alta energia necessários para gerar um feixe de múons é exatamente onde os aceleradores de plasma a laser compactos (LPAs) podem se destacar, graças aos seus gradientes de aceleração ultra-altos e à sua compacidade”, afirma van Tilborg.
O Laboratório Berkeley já demonstrou Aceleração em estágio único de um feixe de elétrons de 10 GeV ao longo de 30 centímetros.Este projeto visa agora acoplar dois estágios LPA de aproximadamente 6 GeV para atingir mais de 12 GeV de aceleração. A obtenção e a mitigação dos riscos desta prova de conceito em múltiplos estágios validarão o caminho técnico para os sistemas de 30 GeV necessários para penetrar 50 metros de rocha e para os sistemas de 100 GeV capazes de realizar sensoriamento a 150 metros de profundidade.
“Anos de investimento em pesquisa de aceleradores de partículas de alta energia (LPA) no Laboratório Berkeley produziram as tecnologias que tornam este projeto possível”, afirma Anthony Gonsalves, cientista da ATAP que lidera o trabalho com aceleradores e atua como líder experimental do novo projeto de múons. “Este projeto é uma oportunidade empolgante de traduzir décadas de pesquisa em aceleradores em tecnologia que atenda a uma importante necessidade nacional, desenvolvendo sistemas confiáveis para fornecer os múons de alta energia necessários para imagens práticas do subsolo.”
A chave para alcançar essa aceleração em dois estágios é acoplar os estágios com uma lente de plasma ativa que refocaliza o feixe de elétrons de alta energia à medida que ele sai de um estágio e entra no próximo, e com um espelho de plasma altamente refletivo que preserva as propriedades do laser, permitindo que ele impulsione efetivamente o campo de plasma no estágio seguinte. Juntos, esses componentes permitem que o feixe de elétrons passe de um estágio para o outro, ganhando energia em cada um deles, o que é essencial para produzir os múons de penetração profunda necessários para a obtenção de imagens de alta resolução de minerais no subsolo dos alvos geológicos mais profundos.
O projeto aproveita os pontos fortes complementares de seus três parceiros. A ATAP lidera o desenvolvimento de hardware, aplicando sua expertise em interações laser-plasma e simulações de partículas em células de alta fidelidade para desenvolver uma fonte de elétrons de dois estágios e 12 GeV. A Ideon Technologies é líder mundial em tomografia de múons e recursos avançados de fusão de dados para a indústria de exploração mineral e mineração, incluindo matrizes proprietárias de detectores de múons, simulações físicas e software geológico. Esse software transforma dados brutos em visualizações 3D de densidade de massa, permitindo que geólogos "vejam" depósitos minerais e anomalias estruturais com resolução em escala métrica. Com base em décadas de experiência com detectores de partículas de alta energia, a Divisão de Física do Laboratório Berkeley fornecerá instrumentação de múons e diagnósticos de rastreamento de partículas para otimizar o feixe de múons.
“O desafio dos minerais críticos exige maneiras mais rápidas e melhores de entender e desenvolver os recursos de que a sociedade precisa urgentemente. Com os resultados deste projeto, a física mais avançada do que a dos maiores aceleradores de partículas do mundo agora permitirá obter imagens de milhões de metros cúbicos de rocha em horas, e não em meses”, afirma Douglas Schouten, diretor de tecnologia da Ideon. “Trabalhando com institutos de pesquisa de ponta, como o Laboratório Berkeley, a Ideon está levando essa capacidade inovadora para fora do laboratório e combinando-a com sensores avançados e o poder de penetração das partículas subatômicas para desbloquear valor real para as indústrias das quais a sociedade depende.”
Ao combinar a experiência do Laboratório Berkeley em aceleradores avançados com as capacidades comerciais e avançadas de sensoriamento quântico da Ideon, o projeto poderá lançar as bases para uma caracterização de recursos minerais mais rápida, precisa e econômica, acelerando assim o desenvolvimento de minerais críticos nos EUA e fortalecendo as cadeias de suprimentos para energia, indústria e segurança nacional. A promessa da tecnologia também se estende além da mineração. Ela poderá identificar vazios, lacunas e cavernas subterrâneas, oferecendo vantagens significativas para a engenharia civil e a segurança industrial, com implicações para a segurança nacional e infraestrutura crítica.
“Ao ser pioneiro no desenvolvimento de uma fonte de múons portátil e de alta penetração, este projeto garante que os EUA mantenham a liderança em recursos minerais críticos vitais para a energia e a economia, aproveitando tecnologias desenvolvidas por meio de pesquisa e desenvolvimento pioneiros em aceleradores e detectores”, afirma Cameron Geddes, diretor da Divisão ATAP.