VISITA AL SINCROTRÓN ALBA
Por una vez en la historia de este blog creo que voy a escribir una entrada seria. Quiero decir, una entrada homologable a cualquier texto de divulgación científica sin necesidad de que el sufrido lector tenga que estar continuamente traduciendo e interpretando mis habituales paranoias y desvaríos. Bueno, no sé, quizá al final me permita alguna manifestación pirotécnica de mi subconsciente; ya veremos.
Edificio donde se aloja el sincrotrón Alba y oficinas de gestión y mantenimiento.
El caso es que hace unos días pude disfrutar junto a unos amigos de una visita al sincrotrón Alba gracias a la invitación de una compañera de trabajo. Fue una visita francamente interesante. Además, se daba la circunstancia de que el sincrotrón estaba parado y gracias a este detalle pudimos visitar zonas a las que no podrá accederse fácilmente una vez esté en funcionamiento.
Un sincrotrón es una máquina que sirve para producir rayos X increíblemente brillantes. El propósito con el que se usan estos rayos X puede variar desde el más teórico hasta el más aplicado industrialmente hablando, pero en general tienen que ver con el hecho de que los rayos X de sincrotrón nos permiten visualizar la materia a un nivel molecular, es decir, nos permiten investigar cómo son las moléculas que forman una determinada substancia o cómo es la estructura atómica de un determinado cristal. De una forma burda podríamos decir que es un microscopio gigante para ver cómo están colocados los átomos en las moléculas o en los cristales. Los microscopios ópticos, los que se pueden encontrar en cualquier laboratorio de biología, nos permiten observar células y bacterias; los electrónicos, ya no tan habituales, nos permiten contemplar estructuras tan pequeñas como un virus. Ninguno de estos dos tipos de microscopio puede llegar al nivel molecular de la materia. Sólo el microscopio de efecto túnel se le puede comparar en cuanto a poder resolutivo, pero el microscopio de efecto túnel también tiene sus limitaciones, a pesar de ser también una máquina fabulosa con la que Demócrito y Leucipo se hubieran quedado extasiados. Una de estas limitaciones es que sólo sirve para explorar superficies: no puede explorar en profundidad la materia, cosa que los rayos X sí pueden hacer. Esto es una ventaja importante porque la mayor parte de las cosas interesantes tienen estructuras en tres dimensiones, dotadas, por lo tanto, de profundidad. En fin, tengo la tentación de decir que el sincrotrón es una máquina que nos permite sacar una foto del interior de la materia con un grado de detalle molecular, y lo que es más importante, sin destruir la muestra, pero me voy a contener porque no quiero dar la impresión de que manejar un sincrotrón es tan fácil como manejar una cámara fotográfica. Es mucho más complejo y requiere un grado de precisión mucho mayor. Por cierto, los estudios de difracción de rayos X de la molécula de DNA llevados a cabo por Rosalind Franklin en el King’s College de Londres al inicio de la década de 1950 fueron determinantes para que más tarde Watson y Crick dedujeran la estructura de esta molécula esencial para todos los seres vivos. Watson y Crick recibieron el Premio Nobel en Fisiología y Medicina en 1962 por este trabajo. Rosalind no tenía a su disposición un sincrotrón pero su trabajo y el de otros investigadores no hizo más que corroborar lo mucho que tenían que decir los rayos X sobre la estructura de las moléculas. Seguro que a todos ellos les hubiera encantado disponer de uno de estos aparatos.
Vista panorámica del interior del edificio. El sincrotrón está alojado en el interior del anillo de losas de hormigón. A la derecha se pueden apreciar un par de cabañas de investigación.
Ni siquiera hoy en día hay muchos sincrotrones en el mundo. El Alba será inaugurado a finales de este mes de marzo de 2010. Su ubicación entre Sant Cugat del Vallés y Cerdanyola le convierte en el sincrotrón situado más al sur del hemisferio norte. Teniendo en cuenta el dinero que se ha invertido en su construcción y el que se invertirá en su mantenimiento, el lector se estará preguntando que por qué no utilizar luz “normal” para explorar la materia y, también, en todo caso, por qué no utilizar un aparato normal y corriente de rayos X, de los que utilizan los médicos. Y quizá incluso haya algún otro lector que pensará ante estas preguntas: “pues vaya tontería, para empezar gran parte de substancias son opacas a la luz visible”. Y no le faltará parte de razón, pero eso sólo sería el principio de la respuesta, y ni siquiera la parte más importante de ella. Hay otro motivo más importante, más fundamental, que nos impide utilizar luz “normal” para hacer un mapa de la materia a nivel molecular.
Detalle del anillo de losas de hormigón. A la izquierda, en la parte superior de la imagen, se puede apreciar una de las dos grúas que se utilizan para mover las losas y otras tareas de mantenimiento.
Todo el mundo estará de acuerdo en que para hacer un mapa es imprescindible medir. De hecho, medir es imprescindible para hacer Ciencia, no sólo para hacer mapas. Cuanto más precisas son las medidas, con más detalle podemos discernir el Universo. Para localizar átomos en una molécula o en un cristal es inútil utilizar luz visible porque sería como intentar determinar la distancia entre las ruedas de un coche con una vara tan grande como un campo de fútbol. Dicho de otra forma: la longitud característica de la luz visible es de unos cuantos cientos de nanómetros y la distancia de separación característica entre átomos en una molécula o un cristal es de un amstrong o unos pocos anstromgs, es decir varios órdenes de magnitud menor. Si no le gusta la explicación técnica, imagínese que usted no tiene otro sentido con el que explorar el mundo que una cámara ciega a cualquier objeto menor de cien metros de longitud, y con esta cámara tiene que hacer un mapa: cualquier cosa más pequeña de cien metros sencillamente no va a aparecer en el mapa, no la va a ver. Esta situación puede parecer un poco surrealista pero es justo lo que ocurre cuando enviamos una sonda a otro planeta o a una luna de Júpiter o Saturno (o cuando observamos el Universo a través de un telescopio… o el mundo por unos prismáticos… en fin, mucho más a menudo de lo que uno podría creer). La resolución máxima de las cámaras montadas en estas sondas significa que cualquier detalle orográfico (o atmosférico) con una longitud más pequeña que una longitud dada no aparecerá en la foto. En relación a este tema, en los últimos años hemos podido disfrutar de la solución del misterio de la cara de Marte gracias a que las fotografías que tomaron las sondas Mars Global Surveyor y Mars Odyssey de de la NASA y, posteriormente, Mars Express de la ESA tenían una resolución mayor que las primeras fotografías de este curioso accidente geográfico marciano. No es que las cámaras, los telescopios o los prismáticos sean ciegos a los objetos pequeños es que, como todo el mundo sabe, el poder resolutivo de todos los sistemas ópticos es limitado (y sobre todo el de nuestros ojos, que además están conectados a un cerebro que tiende a las ilusiones ópticas). Bueno, todo el mundo no, los defensores de las pirámides en Marte y de la teoría del silencio y la conspiración no parecían saberlo y en estos momentos están escondidos debajo de las piedras, al lado de los alacranes, a la espera de una nueva oportunidad para aprovecharse de nuestra ignorancia.
Otra panorámica del interior del edificio donde está alojado el sincrotrón. Se puede apreciar, arriba a la izquierda, la otra grúa del recinto y una cabaña de investigación en el centro (cubículo verde). También se pueden apreciar algunas losas de hormigón levantadas y el túnel donde se encuentran el booster y el anillo de almacenamiento al descubierto.
Y respecto a por qué no utilizar un aparato de diagnóstico por rayos X, uno de los que se utilizan habitualmente en medicina, la respuesta es sencilla: porque los rayos X médicos, a pesar de poder atravesar la piel y la carne, comparados con los rayos X de sincrotrón son como un cuchillo romo de madera. Los rayos X de sincrotrón, en cambio, vendrían a ser como un cuchillo con un filo más afilado que el de una cuchilla de afeitar y con una capacidad de penetración, por lo tanto, mucho mayor. El motivo por el que esto es así es sencillo: en el sincrotrón se gasta mucha más energía que en un aparato médico de rayos X y por lo tanto también se obtienen rayos de mucha mayor energía que los rayos que se obtienen en los aparatos médicos. Además, no sólo importa que los rayos X tengan mucha más energía: también es fundamental que toda esta energía esté concentrada en una región pequeña del espacio. Y con los rayos X que emite el sincrotrón ocurre precisamente esto, está mucho más concentrada en el espacio: es un auténtico rayo. En los aparatos médicos los rayos X se obtienen de una forma un tanto burda: se lanzan electrones contra una placa metálica y, al llegar a la placa, los electrones interaccionan con los átomos del metal y frenan. Durante el frenazo es cuando emiten rayos X. También ocurre que chocan con electrones ligados fuertemente a átomos del metal y los arrancan del pozo en el que están sumidos. Cuando otro electrón ocupa el hueco que ha quedado libre emite rayos X. En cualquier caso, al generar rayos X de esta forma se dispersan por una superficie muy grande y la energía está, por lo tanto, poco concentrada. En un sincrotrón se prescinde de la placa metálica. Lo que se hace es acelerar electrones a velocidades próximas a la de la luz y, una vez viajan a esta velocidad, se les obliga a cambiar de dirección mediante potentes campos electromagnéticos. Al cambiar de dirección, emiten rayos X.
Otra panorámica del interior del edicio de Alba. Se aprecia claramente el túnel de losas de hormigón.
Hay una pregunta que no saldrá nunca en el programa aquel de la tele que se titulaba “¿Sabes más que un niño de primaria?” (así es como titulo yo algunos de mis exámenes de bachillerato). Es la siguiente: Si un coche se mueve a una velocidad de 80 km/h y toma una curva sin que el velocímetro indique una velocidad diferente, ¿deberíamos decir que este coche está acelerado?; y digo que no saldrá nunca en este concurso de la tele porque la respuesta la sabe todo el mundo, tanto adultos como niños de primaria: sí, el coche está acelerado, aunque la aguja se mantenga fija en 80 kilómetros por hora. Siempre que cambia la dirección de un objeto en movimiento, este objeto está acelerado. Una pregunta que puede que sí aparezca en el concurso de la tele es: ¿Las cargas eléctricas aceleradas emiten radiación? Y digo que puede que aparezca porque es un conocimiento que tienen todos los niños de primaria pero muchos adultos han olvidado: las cargas eléctricas aceleradas emiten radiación. Ya lo creo que emiten. ¿Cómo cree sino que funcionan las antenas, su teléfono móvil, la radio y tantos otros aparatos? Pues sí: acelerando electrones.
En esta fotografía se puede apreciar el túnel con algunas losas de hormigón del techo retiradas y, en el interior, el booster a la izquierda (¡no hay que confundirlo con las tuberías de ventilación!) y el anillo de almacenamiento a la derecha.
Y es justo eso lo que hace el sincrotrón: acelerar electrones. Es un acelerador de partículas. Acelera electrones hasta llevarlos casi a la velocidad de la luz para que emitan rayos X muy concentrados en una determinada dirección. Esta aceleración se lleva a cabo en dos fases: empieza en el LINAC, un acelerador lineal, desde donde los electrones pasan al booster, un acelerador circular, y, una vez los electrones han alcanzado la velocidad adecuada, se les inyecta en lo que se llama el anillo de almacenamiento, donde los electrones mantendrán la velocidad que han alcanzado.
Observando el acelerador lineal (LINAC), primer tramo en el proceso de aceleración de electrones.
Otra vista del LINAC.
En realidad, el anillo de almacenamiento más que un anillo es más bien un polígono formado por una serie de segmentos rectos. Cuando el electrón llega al final de uno de estos segmentos unos potentes campos electromagnéticos le obligan a cambiar de dirección, de tal forma que pueda viajar por el siguiente segmento recto sin chocar contra las paredes. Es en el momento en que cambia de dirección cuando emite los rayos X (en realidad emite radiación en un espectro bastante amplio de frecuencias, pero bueno, centrémonos en el tema). Y gracias a las velocidades a las que se mueve, próximas a la de la luz, esta radiación está concentrada en un haz muy estrecho a lo largo de la dirección en la que se mueve el electrón. Es como si el electrón disparara un rayo láser al cambiar de dirección, sólo que en lugar de un rayo láser es un rayo X que hiende el espacio como el rayo de luz de un faro marino hiende la noche. Con razón a los sincrotrones como el sincrotrón Alba se les llama fuente de luz, fuente de luz de sincrotrón, para ser exactos.
A lo largo del anillo de almacenamiento por donde circulan los electrones hay varios puntos de emisión de rayos X. Las líneas donde se instalan los laboratorios de experimentación se inician en estos puntos de emisión y se prolongan alejándose del anillo como si fueran rectas tangentes a una circunferencia.
Punto de inserción de los electrones en el booster, la segunda fase de aceleración. El tubo de acero que se puede apreciar en el centro de la foto es por donde circulan los electrones.
Sería interesante comentar el tema de la energía. ¿Cuánto mayor es la energía de los electrones del sincrotrón Alba respecto a los electrones que se utilizan en un aparato médico de rayos X? Empecemos por el principio: las pilas, objeto cotidiano conocido por todo el mundo. Las pilas cilíndricas tienen 1,5 volts, las de botón 3 volts, las de petaca 4,5 volts y, finalmente, aquellas que son como un ladrillo en pequeño llegan hasta los 9 volts. ¡9 volts! Recuerdo que cuando era niño mis amigos y yo teníamos juegos que parecían extraídos de un manual de torturas de la CIA. No voy a contar lo que hacíamos con las dichosas pilas de 9 volts no vaya a ser que esto lo lea por casualidad un niño de primaria, lo pruebe (demostrando la lucidez habitual de los niños de primaria, a pesar de sus conocimientos de Física) y sus padres me denuncien. Baste decir que jugando para demostrar lo valientes que éramos nos llevábamos unos calambrazos de cuidado. Años después conocí a otros niños y cuando me explicaron lo que hacían ellos con esas pilas se me pusieron los pelos de punta. En fin, el catálogo de locuras probablemente es inacabable pero para lo que nos concierne en esta entrada de blog bastará explicar qué son los volts. Los volts de una pila son una medida de la energía que adquiriría un electrón si viajara libremente del polo negativo de la pila al polo positivo. Y cuanta más energía, más velocidad. Supongamos que en el viaje del electrón del polo negativo al positivo de la pila no hay nada que lo frene, entonces el electrón deja el polo negativo y viaja hacia el polo positivo incrementando sin cesar su velocidad. A medida que se acerca al polo positivo es como una piedra que hemos dejado caer desde una azotea: va ganando velocidad hasta que impacta con el suelo o, en el caso del electrón, hasta que supera el polo positivo y entonces continúa con velocidad constante. Cuantos más volts tenga una pila, mayor será la energía que adquirirá el electrón y, por lo tanto, mayor será su velocidad y más energía emitirá si lo frenamos o le obligamos a cambiar de dirección. En una pila de un voltio, al llegar al polo positivo el electrón tendrá una energía de un electrón-volt, y en una de nueve voltios, tendrá nueve electrón-volts de energía. Es una forma sencilla y eficaz de contar la energía de las partículas subatómicas. Bueno, pues el caso es que los electrones que se utilizan en los aparatos médicos de rayos X tienen una energía de unas decenas de kiloelectronvolts, es decir, de unas decenas de miles de electrón-volts: veinte mil, cuarenta mil o hasta cien mil electrón-volts. Los electrones que circulan por Alba adquieren una energía de tres mil millones de electrón-volts. A que mola. Más que los petardos. Y es mucho menos peligroso que la pólvora (y los ecologistas que crean lo contrario deberían recordar lo que hacíamos todos los niños con los petardos y esconderse debajo de una piedra, al lado de los alacranes, junto con los creyentes en la teoría de la conspiración y del silencio).
Detalle del punto de inserción en el booster.
Bueno, pues ahí estábamos nosotros, un grupo heterogéneo donde había desde críos (sin petardos) hasta profesores de Física. Todos nosotros teníamos como mínimo una cosa en común: habíamos decidido pasar una mañana de sábado visitando un sincrotrón en lugar de dormir a pierna suelta hasta el mediodía (bueno, puede que los niños no hubieran decidido por ellos mismos pero, vamos, no nos vamos a poner quisquillosos con los detalles). Teníamos una curiosidad lo suficientemente poderosa como para arrancarnos de la cama y meternos en las entrañas de la máquina. Y una vez ahí dentro me di cuenta de que me habían engañado.
Vista del túnel desde el interior. A la izquierda vemos el booster, a la derecha, el anillo de almacenamiento. Se pueden apreciar claramente los tubos de acero por donde circulan los electrones.
En cuanto el ingeniero amigo de mi compañera de trabajo empezó a hablarnos de sincrotrones en general y de Alba en particular vi que me habían engañado con claridad meridiana. Porque… claro, una cosa es estudiar durante años y llenar la cabeza de uno con conocimientos teóricos, y otra muy distinta es tener ante ti la materialización de toda esa teoría, el fruto del trabajo de tanta gente que seguro se ha quedado sin dormir muchas noches para resolver problemas, pequeños y grandes, que no se explican en las clases teóricas de la Facultad. Durante los años de estudio comprendes que el conocimiento que estás recibiendo ha costado muchas generaciones y mucho sufrimiento cosecharlo, pero cuando ves la máquina construida e intuyes todos los detalles y los millones de piezas que han tenido que encajarse a la perfección… entonces ya te quedas sin aliento. Entonces comprendes que de niño te engañaron. Sí, de niño me engañaron. De niño había leído que los seres humanos ya no podíamos construir obras como las pirámides. Que no podíamos conseguir ya un encaje perfecto entre bloques de piedra de muchas toneladas como el que consiguieron los incas en alguna de sus construcciones. Y aquel sábado (no durante mis años de estudio en la Facultad, sino aquel sábado) me di cuenta de que eso que me habían contado era mentira. ¿Que no podríamos construir pirámides? Pamplinas. ¿Que no podemos emular el encaje perfecto de los bloques de piedra de las construcciones inca? Fanfarronadas. Hubo un día en que el ser humano empezó a construir cosas y no hemos parado desde entonces, y cada vez lo hacemos mejor y más rápido (y que conste que suscribir esto que afirmo es perfectamente compatible con creer también en los versos del poeta: La única sabiduría que podemos esperar adquirir/ es la sabiduría de la humildad:/ la humildad es interminable -T. S. Eliot-, o, dicho de otra forma: Sólo sé que nada sé -Sócrates-). Hay partes del sincrotrón que son delicadas como las alas de una mariposa, castillos de naipes al lado de los cuales no puedes ni aplaudir, prácticamente ni respirar despreocupado, y otras partes que son contundentes y pesadas como bloques de hormigón, y todas las partes tienen que estar tan perfectamente encajadas y tan cercanas las unas a las otras como los engranajes de un reloj de cuerda suizo.
En esta imagen se pueden localizar las diferentes partes que componen el sincrotrón: el acelerador lineal (LINAC), el booster y el anillo de almacenamiento. También he señalado un punto de emisión de rayos X, pero en realidad hay muchos más: cada uno de los recodos donde se unen los segmentos que forman el anillo de almacenamiento.
El sincrotrón Alba es un acelerador de partículas pequeño, comparado con otros, como por ejemplo el LHC, que es un auténtico monstruo. Si en Alba hay partes contundentes y pesadas como un bloque de hormigón no es porque haya detectores del tamaño de un bloque de pisos encargados de detectar partículas mucho más pequeñas que un átomo, ni imanes superconductores gigantescos, es porque hay bloques de hormigón. En las fotos se aprecia cómo tanto las paredes como el techo del túnel donde están situadas las vías por donde circulan los electrones, el booster y el anillo de almacenamiento, están formados por losas de hormigón. Estas losas de hormigón de no sé cuántas toneladas (nos dieron el dato pero ahora mismo escribo de memoria y no consigo recordarlo) se mueven con un par de grúas que se encuentran integradas en la estructura del edificio donde se aloja el acelerador (también se pueden apreciar en algunas de las fotos panorámicas). El detalle importante está en que estos bloques hay que saber moverlos, pues hay que situarlos en su sitio con la misma precisión que un cirujano posa el bisturí. Además toda la máquina está asentada sobre una losa de hormigón (llamada losa crítica) de varios metros de grosor cuya función es absorber todas las vibraciones que se produzcan en los alrededores del sincrotrón. Supongo que esto de que se necesite un montón de hormigón para construir un sincrotrón, aparato científico donde los haya, estandarte de la nueva economía en la que debería zambullirse este país, habrá encantado a mucha gente de por aquí, necesitados como están de hacer negocios con él. Además, no sólo es necesario sino que es imprescindible. El nombre que le pusieron a la losa sobre la que se asienta la fuente de rayos X no se lo pusieron por no saber qué otro ponerle: realmente cumple una función crítica.
Esto les encantaría a los ecologistas, si supieran lo que es, claro... un momento... ¡yo soy ecologista! Ah, es verdad: y me encanta.
Los millones de electrones que circulan por todo el sincrotrón son como una hebra finísima de materia, como un hilo que hubiera que enebrar segundo a segundo, instante a instante, y acertar a la primera, sin posibilidad de error. Enebrar un hilo es otra de las cosas que hacía de vez en cuando de niño. Y aún recuerdo lo difícil que era, el momento de concentración y contención de la respiración que requería. Seguro que todos los lectores tienen recuerdos parecidos, y si no los tienen, pueden intentarlo cuando quieran. Difícil, ¿verdad? Pues imagínense lo que sería si la aguja estuviera vibrando. Los tubos de acero por los que viajan los electrones y en el interior de los cuales se ha hecho el vacío tienen unos pocos centímetros de diámetro pero no importa: la fibra de electrones es infinitamente más sensible que una hebra de hilo, muchísimo más sensible que la más sensible de las cuerdas de un violín. Hay que tener en cuenta que viajan a casi la velocidad de la luz y a esas velocidades no hay perturbación que sea pequeña: cualquier trastorno en el campo electromagnético que guía a los electrones se transmitiría a la fibra de electrones y estos acabarían impactando contra las paredes de los tubos por donde viajan, de la misma forma que en algunos instrumentos musicales ciertas cuerdas vibran por simpatía (resonancia) con las cuerdas perturbadas por el instrumentista.
Estos aparatos sirven para medir la radioactividad ambiental. Es interesante comparar los valores que se aprecian en la imagen con los que se pueden ver en la página del Consejo de Seguridad Nuclear: http://www.csn.es/index.php?option=com_maps&view=mappoints&Itemid=32&lang=es . Sólo había un indicador un poco por encima de lo normal (el de la imagen anterior). Aun así, la dosis indicada es muchísimo menor que la dosis correspondiente a pruebas médicas, tal y como se puede ver en esta página del Colegio Americano de Radiología: http://www.radiologyinfo.org/sp/safety/index.cfm?pg=sfty_xray#2
Quizá debería haber empezado así: explicando que el sincrotrón es un instrumento de música que utiliza electrones en lugar de cuerdas y crea luz en lugar de sonido. No hubiera sido una mala metáfora. Desde ese punto de vista, en estos momentos están afinando el Stradivarius y el concierto no empezará hasta finales de marzo. Me consta que en este país hay muy buenos músicos. Sólo cabe esperar que el público sepa apreciar la música.
(Página del consorcio que gestiona el sincrotrón: http://www.cells.es )
