Acelerador de partículas Sirius: Orgulho Brasileiro!

- Atualizado no dia 12 de julho de 2019 -

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Em novembro de 2018, a primeira etapa do Sirius, o novo acelerador de elétrons do Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM), em Campina, São Paulo, foi finalizada. Iniciado em 2012, o Sirius é o maior projeto científico no Brasil, englobando uma infraestrutura de pesquisa de última geração e estratégica para a investigação científica de ponta e para a busca de soluções para problemas diversos em áreas que vão de saúde e meio ambiente até materiais e energia. Será um laboratório aberto, no qual as comunidades científica e industrial terão acesso às instalações de pesquisa.

Sirius já é o laboratório científico mais sofisticado da América Latina, e marca um importante passo para o Brasil na corrida pelo destaque no campo da ciência.

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FUNCIONAMENTO

O Sirius compreende um grande equipamento científico, composto por três aceleradores de elétrons, que têm como função gerar um tipo especial de radiação eletromagnética: a luz síncrotron. Essa luz, ou radiação, de altíssimo brilho é capaz de revelar estruturas, em alta resolução, dos mais variados materiais orgânicos e inorgânicos, como proteínas, vírus, rochas, plantas, ligas metálicas e outros. Essa radiação se estende por uma faixa ampla do espectro eletromagnético – luz infravermelha, ultravioleta e raios X, rádio, visível -, sendo produzida quando partículas carregadas (no caso, elétrons), e aceleradas a velocidades próximas à velocidade da luz (~300000 km/s) (1), tem sua trajetória desviada por campos magnéticos.

(1) Leitura complementar: A inabalável Teoria da Relatividade Especial e Geral

Os elétrons dentro desse tipo de acelerador viajam a cerca de 299792 km/s e são forçados a seguir uma órbita circular dentro dos túneis de síncrotron pela aplicação sincronizada de fortes campos magnéticos. Essa contínua variação forçada de direção na trajetória dessas partículas - contínua aceleração radial - leva à liberação de energia dos elétrons na forma de radiação eletromagnética, em uma faixa compreendendo a radiação síncrotron, a qual é 1 milhão de vezes mais brilhante do que o Sol. Dentre os comprimentos de onda compondo essa faixa (representando fótons em diferentes frequências), infravermelho e raios-X são canalizados em túneis separados ('beamlines') para fomentarem instrumentos de análise científica que serão utilizados pelos pesquisadores para investigarem compostos e materiais diversos, à nível atômico e molecular. Nessas análises, os componentes radiativos da luz síncrotron podem ser usados na forma de difração, espalhamento, espectroscopia (absorção) e escaneamento.

-> Estrutura e funcionamento:

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A radiação síncrotron foi primeiro observada em eventos astronômicos, onde elétrons viajando a velocidades relativísticas e ultrarelativísticas formados em processos energéticos diversos, incluindo no meio de remanescentes de supernovas e em núcleos de galáxias, liberam radiações em diversas faixas. Essas radiações são detectadas por nossos telescópios terrestres e espaciais em comprimentos de onda geralmente do rádio (devido à perda de energia e efeitos relativísticos ao longo da trajetória). É também o fenômeno responsável pelas emissões ópticas no visível e no raio-X na Nebulosa de Câncer e possivelmente pelas emissões contínuas de raio-X e visível de quasares.

(2) Leitura sugerida: O que é o Desvio para o Vermelho na Astronomia?

Em resumo, as cinco principais vantagens da radiação síncrotron:

> É intensa, permitindo análises científicas mais rápidas e com superior robustez estatística;

> É altamente colimada (divergência na ordem de mrads), diminuindo a perda de radiação eletromagnética na sua passagem através de componentes ópticos em direção à amostra, e aumentando a resolução das medidas devido à precisão espacial;

> Possui um espectro contínuo macio/suave, permitindo experimentos com radiação branca, ou oferecendo qualquer comprimento de onda único pelo uso de monocromadores;

> É horizontalmente prolarizada;

> Possui uma precisa estrutura temporal "flashing".

Exemplos de estudos científicos baseados em análises com a luz síncrotron:

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PROJETO SIRIUS

A primeira etapa finalizada do projeto representa a conclusão das obras civis e a entrega do prédio que abriga toda a infraestrutura de pesquisa, além da conclusão da montagem de dois dos três aceleradores de elétrons. O terceiro e principal acelerador ainda se encontra em processo de montagem. O prédio onde o Sirius está sendo abrigado ocupa uma área de 68 mil metros quadrados (praticamente um campo de futebol), e tudo em seu interior carrega tecnologia de ponta, incluindo sistemas extremamente sofisticados de controle de estabilidade e temperatura.

A próxima etapa a ser concluída é delicada: a criação de um vácuo próximo ao existente no meio interestelar dentro dos túneis percorridos pelos elétrons. Só então o terceiro acelerador poderá entrar em ação. As partes do Sirius precisam ser ligadas e calibradas uma de cada vez, ou, caso contrário, passa a existir risco de danificação de componentes eletrônicos sensíveis. Completada essa fase, entrará em operação a primeira linha de luz (estação experimental que utiliza radiação gerada pelo acelerador para as análises científicas). Há potencial para a construção de 40 dessas linhas de luz na estrutura. É previsto que as primeiras pesquisas analíticas ocorram no segundo semestre de 2019.

A tecnologia por trás do Sirius é 100% nacional, o que eleva ainda mais sua importância para o nosso país. Orçado em R$ 1,8 bilhão, o projeto está sendo financiado pelo Ministério de Ciência, Tecnologia, Inovações e Comunicações (MCTIC). Até o momento, já foram repassados R$ 1,12 bilhão desse valor.

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É válido lembrar que o Sirius não é a única fonte de luz síncrotron no Brasil. Completando 21 anos, temos também o Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS), o qual é o único na América Latina a abrigar essa tecnologia. É também localizado em Campinas e também faz parte do CNPEM, sendo hoje o responsável pela operação da única fonte de luz síncrotron da América Latina.

As instalações muito sofisticadas do LNLS já oferecem excepcional infraestrutura para pesquisadores e indústrias brasileiras e estrangeiras, sendo referência no âmbito internacional. Todos os anos, as instalações do LNLS beneficiam cerca de 1200 pesquisadores brasileiros e estrangeiros, comprometidos com mais de 400 estudos que resultam em aproximadamente 200 artigos publicados em periódicos científicos.

No entanto, o Sirius terá uma tecnologia bem mais avançada, de quarta geração, e emitirá uma luz síncrotron cerca de 1 bilhão de vezes superior em certas frequências quando comparado com a fonte de radiação do LNLS. Isso torna o Sirius um dos mais avançados aceleradores de partículas fonte de radiação síncrotron do mundo.

O projeto final do Sirius (conclusão do complexo) deve ficar pronto só em 2020 e ainda depende da liberação de cerca de R$ 500 milhões. Mas feixes de elétrons já estão circulando nos dois aceleradores já completos da sua estrutura. (!)

(!) ATUALIZAÇÃO (13/09/19): Com os vários cortes do governo federal nas áreas de Educação e de Ciência, dos R$255,1 milhões previstos para 2019, apenas R$75 milhões foram repassados até setembro. Do total recebido, foi dado prioridade para a finalização da primeira linha de luz (entre as 13 linhas previstas para o Sirius), de forma a atenuar os prejuízos de atraso da obra. Agora a conclusão do complexo é esperada de ser concluída apenas em 2021 (Ref.7).

Leitura recomendada: Pesquisadores brasileiros alcançam uma magnetização da matéria via luz de forma quase instantânea

PRIMEIROS EXPERIMENTOS (12/07/20)

Finalmente foram realizados os primeiros experimentos em uma das linhas de luz do Sirius.

A primeira estação de pesquisa a entrar em funcionamento - a linha de luz Manacá, ainda em estágio de comissionamento (Ref.8) - já é capaz de revelar detalhes da estrutura de moléculas biológicas, como proteínas virais. Essa linha de luz é dedicada à cristalografia de proteínas, a partir do uso de difração de raios-X. Essa técnica permite revelar a posição de cada um dos átomos que compõem a proteína estudada, o que auxilia os pesquisadores a investigar a sua ação no organismo e sua interação com moléculas que têm potencial para o desenvolvimento de fármacos, além de inúmeras outras aplicações biotecnológicas.

Em específico, a amostra analisada nesses primeiros experimentos no Sirius foi a proteína 3CL do SARS-CoV-2. Produzida e cristalizada no Laboratório Nacional de Biocências (LNBio), do CNPEM, a 3CL participa do processo de replicação do vírus dentro do organismo durante a infecção. A proteína foi primeiramente produzida em escala suficiente para os experimentos a partir de bactérias geneticamente modificadas para expressá-la (a partir da inserção equivalente de sequências específicas do material genético do SARS-CoV-2 no DNA bacteriano).

Esses primeiros experimentos fazem parte de um esforço do CNPEM para disponibilizar uma ferramenta de ponta à comunidade científica brasileira dedicada a pesquisas com SARS-CoV-2. Pesquisadores focados no estudo de detalhes moleculares relacionados ao vírus e sua doença associada (COVID-19) poderão submeter, a partir do dia 13/07/20, propostas de pesquisa para utilizar essa linha de luz.

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Dentre as 13 estações de pesquisa do Sirius previstas para a 1ª fase do projeto, duas delas tiveram as montagens priorizadas, desde o início da pandemia, por permitirem estudos sobre o vírus e sua interação com células humanas. Além da MANACÁ, a equipe do projeto corre contra o tempo para entregar, ainda nos próximos meses, a linha de luz CATERETÊ, voltada a técnicas de Espalhamento Coerente de Raios X, onde será possível produzir imagens celulares tridimensionais de alta resolução.

REFERÊNCIAS

http://lnls.cnpem.br/
http://www.mctic.gov.br/mctic/opencms/salaImprensa/noticias/arquivos/2018/11/Acelerador_de_particulas_coloca_o_Brasil_na_fronteira_do_conhecimento_cientifico_.html
https://science.energy.gov/~/media/bes/pdf/Synchrotron_Techniques.pdf
https://asd.gsfc.nasa.gov/Volker.Beckmann/school/download/Longair_Radiation2.pdf
http://pd.chem.ucl.ac.uk/pdnn/inst2/prop.htm
https://www1.folha.uol.com.br/ciencia/2018/11/predio-do-bilionario-acelerador-de-particulas-de-campinas-e-entregue.shtml
https://g1.globo.com/sp/campinas-regiao/noticia/2019/09/12/orcamento-previsto-para-sirius-impede-conclusao-do-projeto-para-2020-diz-diretor.ghtml
https://www.lnls.cnpem.br/primeiros-experimentos-sao-realizados-no-sirius/