La Fuente Europea de Neutrones por Espalación está destinada a cambiar el mundo, aunque muy pocos son conscientes de hasta qué punto será capaz de hacerlo. Los científicos que han diseñado y construido parte de los componentes esenciales de este futuro manantial de energía neutrónica son un grupo de españoles que trabajan desde un laboratorio en Bilbao. Por eso no sorprende la ilusión con la que sus ingenieros y físicos hablan del proyecto: su objetivo made in Spain no es menos que la puesta en marcha en Lund, Suecia, de un potente centro de investigación multidisciplinario que empezará a revolucionar la ciencia a partir de 2027, año en el que abrirá definitivamente sus instalaciones. Además de tener el potencial para para desarrollar semiconductores mucho más potentes o incluso suministrar energía a ciudades, podrá servir para conocer nuevas proteínas y confeccionar medicamentos de vanguardia o sentar las bases de nuevas terapias de regeneración celular. Es una puerta a un nuevo mundo, y por su rendija ya se vislumbra un horizonte de posibilidades.
Pero vayamos por partes, porque no es sencillo comprender la razón de ser de la European Spallation Source (ESS), en qué consiste el proceso de espalación o astillado de neutrones que se llevará a cabo en sus aceleradores de partículas y cómo esta técnica será capaz de hacer germinar en Europa las semillas de una nueva revolución científica. Para explicarlo, EL ESPAÑOL | Porfolio se ha desplazado a la delegación de la ESS en Bilbao, uno de los pocos centros especializados en tecnologías neutrónicas de España, cuyo encargo ha sido el de diseñar y construir algunas de las piezas medulares de la futura ESS de Lund. En su interior no faltan prototipos de aceleradores de neutrones y artilugios con nombres tan poco comerciales como cuadrupolos de radiofrecuencia, instrumentos de neutrones retrodispersados o transportes de haces a media energía.
Los descubriremos uno por uno, pero, primero, vayamos a las aplicaciones prácticas. "Un ejemplo de las muchas investigaciones y avances que podremos hacer gracias a la espalación es el desarrollo de baterías para vehículos eléctricos con más capacidad de almacenamiento o, por ejemplo, poder investigar la antigüedad y composición de viejas reliquias", asegura Mario Pérez, director ejecutivo de la ESS Bilbao. Durante el tour por las instalaciones y oficinas aparecen científicos como Ibon Bustinduy, jefe de división del acelerador; Juan Luis Muñoz, físico y project manager, o la física y jefa de grupo Nagore Garmendia. Entre todos conforman un mosaico de conocimiento científico que hará posible que la espalación neutrónica cambie la ciencia.
Banco de pruebas para el acondicionamiento de los acopladores del RFQ en el ESS Bilbao EE
Pero, ¿en qué consiste exactamente la espalación y cómo esta técnica podría lograr que un grupo de científicos desarrollase, por ejemplo, una nueva medicina? Los neutrones, recordemos, son pequeñas partículas subatómicas que tienen una masa parecida a la de un protón, solo que no tienen carga eléctrica, lo que hace que no se vean sometidos a otras fuerzas eléctricas que rodean los núcleos atómicos de la materia y, por tanto, puedan penetrarla más fácilmente, sin dañarla.
"Las fuentes de neutrones como la ESS de Suecia producen haces de neutrones muy intensos de millones de partículas que, de forma similar a como funciona una radiografía con Rayos X, brillan y penetran en los materiales a investigar, revelando lo que podríamos llamar 'su intimidad'", explica Mario Pérez. "Por las dimensiones de este centro, vendrían a ser una especie de microscopios gigantes".
Para conseguir este tipo de neutrones existen dos métodos posibles. El primero de ellos es bien conocido: a través de los reactores nucleares de las centrales atómicas. En estos mastodontes que tanto debate político han suscitado, se dividen átomos pesados que liberan neutrones, lo que genera un flujo continuo de los mismos que, sin embargo, produce residuos radiactivos por la irradiación del combustible.
Pero en la fuente europea de espalación el proceso es distinto. "Aquí se generan protones que se disparan a velocidades cercanas a la de la luz a través de un acelerador lineal de 600 metros, el más grande del mundo en su categoría, y estos van dirigidos hacia un blanco, una rueda rotatoria de 7.000 minúsculos ladrillos reflectantes de tungsteno llamada target".
Vista aérea del acelerador que se está construyendo en Lund, Suecia Imagen cedida
El proceso no provoca apenas residuos y es extremadamente seguro, ya que no hace falta mantener un flujo de energía continuo. "El problema de los residuos nucleares es el combustible, pero en el caso de la espalación no lo tienes. Los residuos nucleares que generan sólo son los provocados por la activación del target de tungsteno que ha sido bombardeado con neutrones, pero son infinitamente más pequeños y con un decaimiento de la radioactividad muy corto".
Los impactos de los protones puestos en circulación en el acelerador chocan contra el target y consiguen separar los neutrones de los núcleos de tungsteno, en una proporción de veinte o treinta neutrones por cada protón estrellado. De ahí el nombre de espalación o 'astillado'. "Estos neutrones creados por el impacto después se ralentizan y se separan en haces para dirigirlos a una de las 15 estaciones experimentales que, según está previsto en la fase inicial del proyecto, albergará la Fuente Europea de Neutrones por Espalación".
¿Por qué son necesarios los neutrones? Porque en los estudios de la materia a nivel atómico, estas partículas subatómicas –es decir, infinitamente más pequeñas– sirven como una sonda de medición de diferentes materiales, ya que no tienen carga eléctricas y los penetran (los materiales) con mucha facilidad, permitiendo conocer su comportamiento y dinámicas desde escalas microscópicas. "Como los haces de neutrones serán 100 veces más brillantes que los que se conocen hasta ahora, científicos de todo el mundo podrán realizar sus experimentos en la instalación de Lund para diseñar nuevos materiales, los conocidos como 'materiales de nueva generación'", explica Pérez.
La física Nagore Garmendia frente al cuadrupolo de radiofrecuencia, un tipo de cavidad para los aceleradores EE
"Debemos entender la Fuente Europea de Neutrones por Espalación como una herramienta. Con ella no vas a descubrir algo especifico en sus instalaciones, pero si alguien está investigando en laboratorio una nueva proteína para combatir un virus, puede utilizar las fuentes de neutrones para radiografiar el interior de las proteínas que harán posible desarrollar ese medicamento. Es un nexo entre lo teórico y lo práctico, y con ello es posible que seamos capaces de revolucionar la ciencia", asegura el director ejecutivo de la ESS Bilbao.
Entre sus aplicaciones, está la de crear baterías para vehículos eléctricos con más capacidad de almacenamiento. "Los neutrones nos permitirán observar lo que sucede en las baterías a nivel atómico, lo que hará más eficiente su diseño. Este análisis también puede servir para desarrollar superconductores a temperatura ambiente, ya que hoy llevar electricidad a través de los cables de alta tensión hasta los consumidores supone una importante pérdida de energía en el camino debido a la resistencia que ofrece el cobre a la corriente eléctrica a temperatura ambiente". Ese problema desaparecería con el estudio del comportamiento subatómico de nuevos materiales más eficaces para su posterior aplicación en la vida real. Un invento para cambiarnos la vida.
Prueba de ACCT para medir la corriente de haz EE
El corazón de Lund es made in Bilbao
Cuando la fuente de espalación de Lund, Suecia, la más potente del mundo, empiece a dar sus frutos, nadie podrá olvidar que el corazón de tungsteno que hace posibles las investigaciones ha sido diseñado en las instalaciones de la ESS Bilbao y fabricado en Asturias. Los 55 millones de euros con los que ha contribuido nuestro país a la elaboración del proyecto europeo se han materializado –o se materializarán, porque aún no está acabado– en la confección de tres piezas esenciales de la Fuente, sin las cuales no podría operar: el MEBT y el sistema de RF, que serán parte del acelerador; el target o corazón de tungsteno y el instrumento MIRACLES.
Las primeras siglas, MEBT, hacen referencia a 'transporte de haz a media energía', una sección dentro del acelerador que sirve para condicionar o dirigir –e incluso hacer el diagnóstico– del haz de protones. Inmediatamente después estaría el sistema de radiofrecuencia (RF), un aparato que convierte y amplifica la potencia necesaria del haz para poder acelerar correctamente los protones a velocidades cercanas a la luz.
Uno de los casetes rellenos de pesados bricks de tungsteno, donde chocarán los haces de protones del acelerador EE
Más importante aún es el target, la unidad motora, el sello rotatorio, el eje y la rueda que conforman el corazón de la Fuente Europea de Neutrones por Espalación. Ahí es donde los haces de protones acelerados chocarán con un material pesado formado por 7.000 pequeños ladrillos de tungsteno divididos en 36 sectores con casetes llenos de bricks. Cada uno de los pequeños ladrillos está numerado para después poder realizar su trazabilidad. Tras el impacto de los protones sobre los bricks de tungsteno, se crean neutrones con los que después se realizan los experimentos científicos.
El target serí entonces un componente de avanzada tecnología formado por un potente motor, un eje de más de siete metros de longitud y una rueda enorme de dos metros y medio de diámetro sobre la que chocan los protones acelerados.
Todo el sistema del target estará dentro de una vasija, también 'marca España', llamada Monolith Vessel, similar a la de un reactor nuclear, así como el Proton Beam Window, un sistema que permite mantener atmósferas diferentes entre el acelerador y el target y albergar instrumentos para la medición del haz de protones previo a su bombardeo. A la lista anglófona se le suma el Tuning Beam Dump, que sirve para verter el haz de protones tras su puesta a punto. Esta pieza es esencial, ya que en caso de emergencia serviría para frenar el proceso de espalación dentro del acelerador.
![Mario Pérez (i) durante la entrevista con El Español en las instalaciones del laboratorio ESS Bilbao](["https:\/\/s1.elespanol.com\/2023\/02\/25\/actualidad\/744185790_231215368_1706x1136.jpg"])
Mario Pérez (i) durante la entrevista con El Español en las instalaciones del laboratorio ESS Bilbao EE
MIRACLES: el milagro español
El último elemento elaborado por España es MIRACLES o, literalmente, instrumento de neutrones retrodispersados en tiempo de vuelo. Y aunque aún está en fase de preparación y no ha sido entregado, el aparato será esencial para los experimentos posteriores a la puesta en marcha de la ESS. ¿Por qué? Porque una vez los protones impacten contra el target de tungsteno, los neutrones se derivarán a 15 estaciones experimentales según el tipo de experimento que se quiera hacer. "Todos usarán la misma materia prima, que es un chorro de neutrones", explica el físico Juan Luis Muñoz, project manager del acelerador.
"Cada científico irá con su muestra, que puede ser una muestra biológica o un polímero raro que quieren estudiar. Dependiendo de qué busques, deberás utilizar uno de los quince instrumentos específicos". Unos quieren ver lo que se transmite. Otros lo que se difracta. Hay quienes prefieren ver una muestra en distintas condiciones meteorológicas, como en muy baja temperatura. Por ejemplo, un material superconductor nuevo que requiere trabajar a temperaturas de helio líquido necesitará una instalación específica y un experimento concreto para que permita operar con mucho frío. A otros se le podrán aplicar campos magnéticos.
Juan Luis Muñoz, físico y project manager del acelerador EE
MIRACLES es una de esas estaciones experimentales. "Es, exactamente, lo que se conoce como back scattering, un haz de retrodispersión que mira el haz de neutrones desde ángulos bajos. Básicamente, para lo que sirve es para sacar la estructura cristalina de moléculas o materiales muy complejos, como polímeros o proteínas", explica Muñoz. Hacer una suerte de radiografía interna de todos estos ingredientes permite analizar, por ejemplo, las estructuras de las proteínas o del ADN. Con técnicas de Rayos X y electrones es difícil de ver, pero con técnicas de difracción de neutrones se pueden llegar a resolver las diferencias. Este tipo de investigaciones permitirían perfeccionar el desarrollo de nuevos medicamentos o terapias de regeneración celular.
Esa será la estación experimental española, pero habrá otras diseñadas por los diferentes países del consorcio que engloba la European Spallation Source. BIFROST, por ejemplo, es un espectrómetro medioambiental creado para explorar la física del magnetismo y la superconductividad, lo que permitirá mejorar los aparatos de resonancia magnética que ayudan a detectar el cáncer. DREAM, por su parte, es un difractómetro de neutrones que abre la puerta a profundizar en nuestros conocimientos de física y química, ayudando a expandir el conocimiento del estudio de la nanociencia.
Nada que ver con NMX, un difractómetro molecular puesto a punto para conocer el comportamiento de las moléculas a nivel atómico, lo que arrojará nueva información sobre los procesos biológicos del cuerpo humano, las plantas y las ciencias ambientales. Conocer mejor la receta de la vida y entender sus mecanismos, sugiere la ESS, podría incluso ayudarnos a elaborar terapias para prevenir el envejecimiento o medicamentos mucho más efectivos contra enfermedades como el cáncer. Mientras, ODIN será una puerta al cosmos, un aliado esencial de la industria aeroespacial que posibilitará tener resoluciones del espacio a escala micrométrica.
![Gráfico con las 15 estaciones experimentales](["https:\/\/s1.elespanol.com\/2023\/02\/25\/actualidad\/744185993_231221916_1706x1182.jpg"])
Gráfico con las 15 estaciones experimentales Imagen cedida
Espalación, energía nuclear y Proyecto Manhattan
La historia de los neutrones siempre ha estado marcada por la política y la guerra. El neutrón fue descubierto en febrero de 1932 por el físico James Chadwick, quien ganaría en 1935 el Premio Nobel en la categoría de Física. Desde entonces, ha sido fundamental para el desarrollo de la energía nuclear. En plena Segunda Guerra Mundial y en el marco del Proyecto Manhattan, Leó Szilárd y Enrico Fermi fueron sus principales impulsores y arquitectos, siendo capaces de crear la primera reacción de fisión en cadena controlada.
Acabado el conflicto bélico, el mundo se lanzó a competir por controlar el neutrón. Aparte de la investigación militar, la partícula subatómica fue utilizada para otros ámbitos, sobre todo para el desarrollo de energía. En 1965, Estados Unidos construye en Tennessee el primer reactor experimental para la investigación de materiales con neutrones, el High Flux Isotope Reactor, principalmente dedicado a la fisión nuclear. Después, el general Charles De Gaulle y Konrad Adenauer firmaron un acuerdo para construir en Europa su homólogo, el ILL, uno de los reactores experimentales por excelencia del Viejo Continente.
Banco de pruebas para el acondicionamiento de los acopladores del RFQ EE
Las décadas posteriores fueron de efervescencia a nivel de investigación con aceleradores de protones. Se elaboraron los primeros centros de investigación parecidos a la ESS: la fuente de muones y neutrones ISIS de Oxford, establecida en 1984, fue la primera fuente de neutrones por espalación del mundo. Los estadounidenses y los japoneses 'copiaron' la idea a los ingleses erigiendo el Oak Ridge National Laboratory (ORNL) y el J-PARC nipón. En 2009, Europa decidió que debía tener su propia Fuente Europea de Neutrones por Espalación, y comenzó a construirla en 2014 bajo el amparo de trece países. Hoy queda confirmado que será la más grande y potente del mundo.
"La ESS es muy importante porque aunque el uso de neutrones ha crecido mucho en Europa en las últimas décadas, la producción va a comenzar a descender en breve, ya que el ILL está obsoleto y habrá que cerrarlo hacia 2030", asegura Mario Pérez. "Gran parte de la producción de neutrones a nivel mundial va a decaer, y la ESS tiene que servir como complemento".
Lund: la esperanza de la ciencia
Durante un tiempo España fue la candidata para albergar la futura Fuente Europea de Neutrones por Espalación, pero se descartó por decisiones políticas a nivel europeo. ¿Cuáles? En el laboratorio aseguran que desconocen el motivo. Sólo se sabe que se decidió acabar con las candidaturas de Bilbao y Debrecen, en Hungría, para apostar por establecer la sede en Lund, Suecia. Algo de sentido tiene, ya que de los 2.000 millones de euros que ha costado sacar el proyecto adelante, han sido Suecia, Inglaterra, Alemania, Francia, Italia y España, en ese orden, los países que más dinero han puesto, en una medida de 35%, 15%, 12%, 10%, 5% y 3%, respectivamente.
En el caso específico de España, contribuyó a Suecia directamente con 55 millones de euros, cuya inversión ha salido tanto de las arcas del Gobierno central a través del ministerio de Ciencia e Innovación (dos tercios) como del ejecutivo regional del País Vasco (un tercio), y que constituyen ese 3% del total de la inversión europea. "La fase de construcción de la ESS está casi completa, y se prevé que comience a operar a plena potencia en 2027, aunque para 2025 se espera que empiecen los primeros experimentos con neutrones", asegura Pérez.
Ibon Bustinduy, jefe de división del acelerador (de pie), en la sala de control de la fuente de iones EE
El director ejecutivo de la ESS Bilbao recuerda, asimismo, que la ESS de Lund hará dos llamadas anuales para que científicos de todo el mundo presenten sus candidaturas para investigar sus proyectos. El centro podrá albergar a 3.000 investigadores al año y elegirá a los científicos según criterios técnicos y de relevancia de sus potenciales descubrimientos, aunque, evidentemente, siempre dará prioridad a los especialistas del país que más dinero ha puesto en la fase de construcción, en este caso Suecia.
Una vez más, Mario Pérez incide en la importancia que supone la creación de la Fuente Europea de Neutrones por Espalación, el proyecto neutrónico más ambicioso del mundo. "Estamos habando de avances espectaculares en la investigación relacionada con materiales, energía, salud y medio ambiente. Seremos capaces de abordar algunos de los desafíos sociales más importantes de nuestro tiempo", asegura. ¿Será este el gran salto de conocimiento que la Humanidad necesita este siglo XXI? A partir de 2027 saldremos de dudas. Si es así, deberemos recordar que un grupo de ingenierios y físicos de Bilbao lo hizo posible.
Mario Pérez durante la entrevista con El Español EE
