Acelerador de partículas Sirius: Orgulho Brasileiro!

- Atualizado no dia 21 de julho de 2024 -

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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.

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).

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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. No entanto, o Sirius possui uma tecnologia bem mais avançada, de quarta geração, emitindo 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.

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

PRIMEIROS EXPERIMENTOS

Em julho de 2020 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 - foi 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 fizeram parte de um esforço do CNPEM para disponibilizar uma ferramenta de ponta à comunidade científica brasileira dedicada a pesquisas com SARS-CoV-2, vírus responsável pela COVID-19.

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Dentre as 13 estações de pesquisa do Sirius da 1ª fase do projeto, duas delas tiveram as montagens priorizadas, desde o início da pandemia da COVID-19, por permitirem estudos sobre o vírus e sua interação com células humanas.

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ATUALIZAÇÃO (21/07/24): Previsto para começar a operar em 2028 no Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais, em Campinas, o projeto Orion será o primeiro laboratório de biossegurança máxima do mundo acoplado a uma fonte de luz síncrotron. A instalação permitirá, pela primeira vez na América Latina, estudar vírus de risco biológico classe 4, a mais alta existente. Para mais informações: https://agencia.fapesp.br/orion-sera-o-primeiro-laboratorio-de-biosseguranca-maxima-do-mundo-acoplado-a-uma-fonte-de-luz-sincrotron/52118

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REFERÊNCIAS