Científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL), un centro de desarrollo e investigación fundado por la Universidad de California, han creado espumas metálicas de densidad ultra baja para brindar a los físicos mejores fuentes de rayos X para emplear en experimentos de vanguardia.
“Estamos analizando principalmente cuestiones científicas fundamentales que rigen cómo sintetizar, ensamblar y dar forma a aerogeles basados en nanocables de metal“, dijo el científico de materiales Michael Bagge-Hansen, investigador principal del proyecto del Laboratorio Dirigido a la Investigación y Desarrollo (LDRD).
El material se llama espuma porque históricamente se llama así a estos tipos de materiales, pero no es un material fabricado de espuma. Es una red parecida a un espagueti de alambres de tamaño nanométrico conectados al azar, en forma de malvavisco en miniatura y que contienen el mismo o menos número de átomos que el aire.
El físico Sergei Kucheyev lo llama un “monolito de metal poroso”.
Los científicos buscaron diferentes metales de densidad ultra baja que se pueden usar como un objetivo para las fuentes de rayos X dirigidas por láser para experimentos que prueben las propiedades de varios materiales colocados en las condiciones extremas posibles cuando la convergencia de los 192 láseres de alta potencia del NIF se dirigen dentro de la cámara objetivo, dijo Tyler Fears, un científico del personal de la División de Ciencia de Materiales (MSD) de LLNL.
La instalación NIF (National Ignition Facility), es un gran proyecto de Estados Unidos de fusión inercial, que trata de demostrar la viabilidad de la fusión nuclear como fuente de energía.
La maquinaria y los componentes electrónicos que activan el láser NIF requieren un espacio mayor que un estadio de fútbol. Posee 192 rayos de neodimio vidrio de 1.8 MJ que emiten a 1053 nm contra una cámara de 453.592 kilos de peso con 10 metros de diámetro y paredes de 50,8 centímetros de grosor. Tras procesar el haz en 48 líneas que contienen 16 amplificadores cada una, culmina en una onda de 351 nm a una temperatura concentrada de 3,3 millones de Cº. Cada ráfaga láser de 20 nanosegundos de duración tiene una potencia 500 billones de vatios, mil veces el consumo de energía eléctrica de todo Estados Unidos en ese mismo lapso de tiempo. Para evitar fugas de radiación la cámara está cubierta por paredes de 1,8 metros de grosor.
Utiliza el ataque indirecto. Esto significa que focaliza los 192 haces láser en un envoltorio de alto Z (llamado hohlraum) que transforma, con una eficiencia alta, la luz láser en rayos X que interaccionan fuertemente con el blanco (objetivo) de deuterio-tritio, y consiguen una gran homogeneidad en la presión ejercida sobre el mismo.
Cada elemento emite un conjunto característico de rayos X cuando se calienta con láseres en un plasma, explicó Fears. Las espumas metálicas pueden imitar el gas, aunque están hechas de materiales que no son gas, a temperatura ambiente.
Sin embargo, la física subyacente de las fuentes de rayos X controladas por láser establece un alto nivel de especificaciones rigurosas para los tipos, densidades, formas y tamaños de espumas metálicas necesarias para estos experimentos.
“Necesitamos objetivos de metales pesados para estar alrededor de la densidad del aire y unos pocos milímetros de tamaño dentro de dimensiones bien definidas“, dijo. “Nuestro desafío es tratar de cumplir todas esas especificaciones al mismo tiempo”.
El equipo también tuvo que asegurarse de que las técnicas que desarrollaron pudieran repetirse para producir las espumas de manera consistente, incluso si se cambia el tamaño, la forma y la composición para satisfacer las futuras necesidades experimentales.
El equipo ha producido espuma de cobre y plata, y la plata ha tenido un buen desempeño en los disparos del láser de alta potencia del NIF.
Las espumas fueron desarrolladas específicamente para NIF como fuentes de rayos X. El material también podría aplicarse a otros usos, como cubiertas de objetivo o forros de hohlraum.
Y ahora que los científicos saben que se puede hacer este tipo de material, podría generar ideas creativas para futuros experimentos.