Un «milagro» español en tierras nórdicas para la ciencia de neutrones

Cuenta la leyenda nórdica que Odín vivía en Asgard con sus hijos, Thor y Heimdal, además de un amplio elenco de dioses, demiurgos y entidades divinas como Loki, Freia, Bifrost y Skadi. Estos nombres ya no se narran alrededor de una fogata, pero se escuchan en las oficinas y laboratorios de Lund, al sur de Suecia.

Así se llaman algunos de los instrumentos científicos del que será una de las maravillas del principio del siglo XXI: la mayor fuente de neutrones por espalación del mundo, la European Spallation Source (ESS).

Esta fuente, la más luminosa del mundo, aprovechará la operación del acelerador más potente del planeta (podrá alcanzar hasta 5 MW) enviando protones de alta energía a velocidades cercanas a las de la luz contra un blanco fabricado de metal pesado. Así se generan neutrones de alta energía que posteriormente son «enfriados» y transportados hacia los diversos instrumentos científicos.

Debido a que los neutrones no están cargados eléctricamente, poseen una mayor capacidad de penetración que permite, por ejemplo, una imagen radiográfica 3D de cualquier componente o dispositivo. Por otra parte, en analogía con la difracción de rayos X, los neutrones son capaces de determinar estructura atómica de los más diversos materiales. Además, como tienen momento magnético intrínseco (espín), son una herramienta esencial para estudiar los fenómenos magnéticos en los distintos materiales.

Finalmente, la variación en energía de dichos neutrones tras su colisión con las muestras bajo estudio (en realidad con sus núcleos atómicos constituyentes) permite el análisis de vibraciones fundamentales y proporciona información sobre la dinámica molecular en biosistemas, así como fenómenos de dinámica colectiva en materiales a escala atómica y nanoscópica.

Desde el descubrimiento del neutrón en 1930 y el desarrollo de las primitivas fuentes de neutrones en la década de los 50, estos instrumentos se han convertido en herramientas fundamentales para el estudio de nuevos materiales, compuestos y bioestructuras. Por ello, la Unión Europea se ha involucrado en el desafío tecnológico de la construcción de la fuente de espalación, en la que España será unos de los participantes clave.

A través del Consorcio ESS-Bilbao (organismo creado tras el acuerdo entre el Gobierno Vasco y el Gobierno central), España es responsable del desarrollo de diversos componentes e instrumentación para la ESS, entre ellos el target generador de neutrones, corazón de la instalación científica, cuya entrega supondrá el pistoletazo de salida para la futura generación de neutrones alrededor de 2023.

Un «milagro» científico

Otro de los proyectos científicos que está adquiriendo relevancia es el desarrollo, entrega y puesta en marcha de MIRACLES, un espectrómetro de neutrones de alta energía. Los esfuerzos de la organización española se han dirigido a la entrega de dicho instrumento científico, desarrollado gracias al esfuerzo conjunto de físicos e ingenieros, y que estará situado en el ala oeste de la instalación.

Su objetivo será contribuir a diversos campos científicos relacionados con las ciencias de la vida, polímeros y mucho más. Este instrumento ofrecerá un flujo de neutrones sin precedentes con un rendimiento y versatilidad excepcionales propiciado por su flexibilidad en la sintonización de la resolución en energía, permitiendo diferentes tipos de experimentos.

Los resultados de los experimentos que se realicen en MIRACLES a partir de 2026, su fecha de comienzo de operación, podrían suponer un soporte esencial en el estudio de enfermedades degenerativas como el alzhéimer y el párkinson, así como en el desarrollo de antibióticos y medicamentos para diversos tipos de cáncer.

Además, podría servir de puntal para el estudio de la fenomenología en la que se fundamenta el desarrollo de dispositivos de almacenamiento de hidrógeno, o dispositivos de tipo celdas de combustible, así como otros dispositivos y nuevos materiales que componen el conjunto de elementos clave para la transición energética y la lucha contra el cambio climático.  Finalmente, su vertiente magnética ayudará al desarrollo de nuevos nanomateriales magnéticos que podrían contribuir a los futuros avances en computación cuántica y en sensores cuánticos.

El instrumento español utilizará neutrones lentos o «fríos» (de energía menor a 25 milielectronvoltios), que recorrerán unos 150 metros a través de una guía construida específicamente para este instrumento científico, hasta llegar a una vasija de vacío de unos 90 m³ y 3 metros de radio que acoge tanto la muestra como los dispositivos de análisis de dispersión neutrónica.

Allí, los neutrones, después de la colisión, serán desviados hasta unos paneles espejos, que reflejarán neutrones (backscattering) de una única energía definida para llegar a los detectores del instrumento. La lectura del cambio de energía y de dirección de los neutrones en su interacción con las muestras serán interpretadas por los científicos en la sala de control diseñada para esta función.

Este instrumento, como todo el proyecto, nace de un esfuerzo colectivo nacional e internacional y de una generosidad grupal que, con distintas lenguas y una misma tecnología, crean la ciencia del futuro. Para que no sea una leyenda, sino un mito de los europeos para con el mundo.

Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Lea el original.