ALBA es un avanzado sincrotrón de tercera generación (que será de cuarta cuando se actualice con ALBA II). Es el mayor proyecto científico de España y da trabajo a unas 250 personas. Licitado a empresas españolas, potencia la industria de nuestro país. En efecto, fue un proyecto de nueva construcción que se inició en 2006. Se gestiona al 50% por el Ministerio de Ciencia y por la Consejería de Investigación y Universidades de Cataluña, y fue inaugurado en 2010 por los respectivos presidentes de entonces, José Luis Rodríguez Zapatero y José Montilla. Está asociado con importantes instituciones científicas, como el Centro Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) o el Instituto de Biología Molecular de Cataluña (IBMB), entre otros.
En palabras de Caterina Biscari, su directora desde 2012, “ALBA es un servicio público donde se crean oportunidades para la investigación. ALBA es útil a la sociedad.” Las 3500 publicaciones científicas acumuladas hasta finales de 2024 sirven como muestra. La mayoría del tiempo de uso va dedicada, por orden de importancia, a investigaciones farmacológicas, a la fabricación aditiva (impresión 3D), la nanotecnología, la automoción y al sector aeroespacial; a la investigación en polímeros, al almacenamiento de energía y a la electrónica, entre una variedad de otras aplicaciones. Los usuarios privados pagan 600€ por hora de uso y pueden mantener el secreto de sus resultados, pero los públicos (el 99% del total) no pagan nada, pero deben publicar los resultados de sus investigaciones en lo que se refiera al uso de ALBA.
De las instituciones y empresas a las que da servicio, dos tercios de ellas son españolas. El resto son principalmente europeas, aunque también las hay de otros países, como Estados Unidos, Méjico, Chile, Canadá, Marruecos, Egipto, Australia, China, India y otros. Pero antes de acceder a ALBA, los investigadores (superan la cifra de 8500 al año) deben presentar un proyecto o una propuesta que será revisada por un comité externo, que decidirá si se le concede o no acceso. Normalmente solo superan la prueba la mitad de las solicitudes.
ALBA genera radiación electromagnética (infrarrojos, luz visible, ultravioleta y rayos X), acelerando electrones a una velocidad próxima a la velocidad de luz, en aplicación del efecto sincrotrón, que se descubrió casualmente en los primeros aceleradores de partículas en el siglo XX. Gracias a ALBA se puede visualizar tridimensionalmente la replicación del virus de SARS CoV-2 dentro de las células, se prueban terapias génicas contra distrofia muscular, se estudian nuevos nanofármacos contra la fibrosis cardiaca, se trabaja en el diseño de baterías recargables menos contaminantes o para mejorar paneles solares. Sirve también para investigación arqueológica, porque nos acerca a la estructura más íntima de los materiales que se extraen de los yacimientos arqueológicos o incluso de los fósiles en el interior de las rocas, sin necesidad de tener que abrirlas. Además, la línea de luz MINERVA se utiliza para caracterizar el objetivo del próximo telescopio espacial europeo de rayos X, NewAthena.
¿Cómo funciona ALBA?
Los electrones, sometidos a un campo magnético, experimentan una fuerza (llamada fuerza de Lorentz), que es proporcional a la velocidad del electrón y a la intensidad del campo magnético al que se le somete. Partiendo de esta cualidad de la naturaleza, se construye un complejo acelerador de los electrones, (las mismas partículas responsables de la corriente eléctrica que circula por las redes que mantienen unida nuestra civilización), basado en electroimanes de gran potencia. Estos electroimanes pueden ser dipolares, cuadrupolares y sextupolares y sirven no solo para acelerar los electrones, sino que también pueden guiarlos y enfocarlos en función de lo que sea necesario en los distintos puntos de su trayectoria. También se pueden combinar entre ellos.
El acelerador lineal (LINAC) es la primera fase. Sirve para producir los haces de electrones que se van a acelerar, calentando a 1200ºC una pequeña placa de wolframio (el mismo elemento con el que se fabricaban las antiguas bombillas incandescentes) que va recubierta de óxido de bario. Al calentar el metal, este emite unos pulsos de electrones con una energía de 90 kiloelectrón voltios (keV), que LINAC acelera hasta los 100 megaelectrón voltios (MeV), para inyectarlos inmediatamente después en la siguiente fase, el anillo propulsor. Tengamos en cuenta que un electrón voltio es la variación de energía que experimenta un solo electrón bajo una diferencia de potencial de un voltio. Si hablamos de kiloelectrón voltios nos estamos refiriendo a miles, cuando lo hacemos de megaelectrón voltios nos referimos ya a millones y si decimos gigaelectrón voltios son miles de millones.
El anillo más interior de los dos que componen el acelerador ALBA es el anillo propulsor, capaz de llevar a los electrones hasta un 99% de la velocidad de la luz, dándoles una energía de hasta 3 giga electrón voltios (GeV). Cuando esto ocurre, el haz de electrones se envía al anillo de almacenamiento, donde las partículas permanecerán girando, aceleradas, para ir obteniendo de ellas la luz necesaria en los experimentos de las líneas de luz, según se vaya necesitando. El anillo propulsor está basado en una red que alterna dipolos y cuadruplos. La longitud de su perímetro (249,6 metros) y la gran cantidad de electroimanes correctores (44 horizontales y 28 verticales), que van ajustando la órbita, permiten una intensidad estable y una alta eficiencia. Inyecta los electrones en el anillo de almacenamiento cada 20 minutos a través de la línea de transferencia, facilitando la continuidad de los experimentos al mantener la intensidad del haz de electrones constante.
El anillo de almacenamiento es otra red de electroimanes pero con un diseño diferente del que lleva el anillo propulsor. Siendo más exterior, su perímetro es de 268,8 metros, que el haz de electrones recorre en solamente 896 nanosegundos (en torno a un millón de vueltas por segundo). Actualmente genera un haz de 0,1 milímetros, el grosor de un cabello humano. Cuando se inaugure la próxima versión en la década que viene, ALBA II, ya un sincrotrón de cuarta generación, el haz será más concertado, hasta los 0.01 milímetros, comparable a un rayo láser y también más intenso. Esto permitirá reducir el tiempo de trabajo en los experimentos o emitir rayos X más energéticos.
Si fuera solamente por el anillo de almacenamiento, no podríamos producir los diferentes tipos de luz que necesitan los variados experimentos que se realizan en ALBA. Para eso están los dispositivos de inserción que surten a las lineas de luz. La energía de la luz generada dependerá de la intensidad del campo magnético de cada dispositivo de inserción. Si este es muy potente, se generarán rayos X duros, pero si es menos intenso, se emitirán rayos x blandos, ultravioleta, luz visible o, incluso, infrarrojos, en función de las necesidades del experimento que se vaya a realizar. También se puede generar luz con características más particulares, como la polarización, la divergencia o la intensidad, siempre dentro de las especificaciones de cada dispositivo de inserción, que se diseña y construye de acuerdo con las necesidades de la línea de luz a la que vaya a servir.
Líneas de luz y microscopios electrónicos
Las líneas de luz se disponen cada una tangencialmente al anillo del acelerador, a modo de los dientes de una sierra radial. Existen 34 ventanas que permitirían, en teoría, la instalación de las respectivas líneas de luz. A finales de 2024 funcionaban 13 líneas de luz, con otras dos en fase de construcción o cerca de inaugurarse, además de las que hay en proyecto para el futuro.
Los distintos instrumentos de las líneas de luz se basan en tecnologías muy variadas y permiten hacer experimentos de los más interesantes. MIRAS es un espectroscopio y microscopio de infrarrojos por transformada de Fourier, que permite estudiar la estructura más íntimas de las moléculas. XAIRA realiza experimentos avanzados de cristalografía de macromoléculas. NCD-SWEET hace dispersión de rayos X. NOTOS se utiliza para el desarrollo de instrumentación, haciendo espectroscopía de absorción de rayos X y difracción de rayos X. En MINERVA, que hemos mencionado anteriormente, se trabaja para desarrollar el espejo de rayos X del próximo telescopio espacial de la Agencia Espacial Europea. FAXTOR se dedica a la tomografía y radiografía de rayos X.
Además de las líneas de luz, ALBA cuenta con dos microscopios electrónicos de última generación, CRYO-TEM, para el estudio de las ciencias de la vida y METCAM, para ciencia de materiales. Además de InCAEM, una instalación que se utiliza para el desarrollo de materiales avanzados para la energía.
Futuro de ALBA
ALBA es ahora un instrumento científico de primer nivel. Sin embargo, las tecnologías cambian y se hacen necesarias mejoras para mantener el pulso a nivel internacional. En poco tiempo ALBA dejará de estar en la frontera de la ciencia y, por eso, se decide reformarlo. La respuesta es ALBA II.
Según explica Francis López, jefe de la División de Aceleradores, la actualización de ALBA se enfoca desde cuatro planos principales. Lo más importante es la mejora del anillo de almacenaje y también se van a renovar las líneas de luz existentes. Como ejemplo de esto último, la línea de luz XAIRA, podrá alcanzar intensidades de brillo casi 50 veces superiores a las actuales con espejos super pulidos y óptica adaptativa). Además, se expandirán espacialmente las infraestructuras, ocupando más superficie de terreno; por último, se construirán tres nuevas líneas de luz bastante más largas que las actuales. López enfatiza que «no servirá solamente para modernizar las instalaciones, sino también para crear un polo científico y tecnológico en la zona.» El nuevo ALBA ampliará la red de actores implicados, que ya de por sí es bastante importante en estos momentos.
No se altera la energía del haz, que seguirá en los 3 GeV, tampoco cambia el túnel de hormigón porque el nuevo anillo de almacenaje tendrá las mismas dimensiones y se preservan las salidas para las líneas de luz. Es decir, que el edificio seguirá siendo muy parecido al actual, con la salvedad de la construcción de las nuevas líneas largas en el terreno adyacente al que ocupa actualmente el edificio principal. Se va a trabajar también para reducir la emitancia (la energía que se irradia o se pierde hacia el exterior), dejándola en una décima parte de su valor actual.
Los trabajos necesarios comenzaron en 2022 y ya se dispone de varios prototipos, mientras siguen diseñando nuevos electroimanes más compactos y potentes. «Se van a utilizar también imanes permanentes, por lo que se reducirá el consumo», explica Josep Nicolás, coordinador de las líneas de luz de ALBA. El objeto principal de la renovación es concentrar la emisión para aumentar la densidad de fotones por unidad de área (lo que se conoce como brillo). Esto es fundamental porque se reducirán los tiempos de uso necesarios y se aumentará la eficiencia. «Más fotones, experimentos más rápidos, antes de que la muestra cambie». Experimentos más dinámicos. Se van construir mejores bombas de vacío, se sustituirán los tubos de acero por otros de cobre, que disiparán menos energía al exterior, mejorando por ello la eficiencia. Finalmente, se espera superar las 20 líneas de luz operativas. Tras dos inevitables años de parada, la nueva inauguración se prevé para los inicios de la próxima década.
«Con las líneas largas, además, se conseguirá un punto de luz más pequeño, simplemente porque la distancia a la fuente es mayor», continúa Nicolás. Se podrá hacer una luz muy coherente (aplicando técnicas de difracción), por lo tanto, una luz que se comportará de manera muy parecida a un láser, pero de rayos X. “Si un rayo láser es útil, un rayo láser de rayos X es más útil. Te abre la puerta a técnicas que se basan en propiedades ondulatorias de los rayos X.”
Aplicando técnicas de difracción con láser se abren posibilidades inmensas. Otra mejora que se implementará será la instalación de imanes más potentes, con más campo. Algunas líneas a energías relativamente altas tendrán mucha más potencia. Si se escanea la muestra y se hace una imagen iluminando la muestra con un punto de entre 15 a 20 nanómetros, se puede trabajar con un microscopio de barrido con capacidad espectroscópica en todos los puntos. Con las líneas largas se podrá trabajar en entorno de muestra, esto es, incorporar otros elementos alrededor de la muestra y ver qué le pasa a la estructura interna de los átomos cuando le pones gases reactivos (para estudios de catálisis), tensión, (en estudios mecánicos), trabajar campos eléctricos, cambios de pH, de temperatura…
Cuando las piezas del anillo de ALBA sean desmanteladas, algunas se prevé que pasarán a otro acelerador que se va a construir en Jordania, pero gran parte de ello podría acabar como chatarra, después de que en Consejo de Seguridad Nuclear dé el visto bueno (tras comprobar que los materiales no son radiactivos), lógicamente. No están tan avanzados los planes para preservar aunque sea una parte de este patrimonio científico, más allá de guardar algunas piezas como curiosidad. El patrimonio científico-tecnológico merece ser conservado no solamente por si pudiera ser objeto de estudio en el futuro, sino también porque es cultura al mismo nivel que el patrimonio artístico. No olvidemos que los objetos tecnológicos son también actores al mismo nivel que las personas y que configuran la sociedad. ¿Cómo nos podrían comprender dentro de 200 años, si no quedaran cosas materiales de nuestro tiempo en las que fijar la vista? ¿Se olvidará cómo era la tecnología de nuestro siglo? Cuando se desmantele el anillo de almacenaje de ALBA, bien merecería conservarse en un museo, como el Museo Nacional de Ciencia y Tecnología (MUNCYT) o el parque científico CosmoCaixa, por poner dos ejemplos. Caterina Biscari, directora de ALBA, sí que nos manifestó que existe la idea de, quizá, preservar una parte de ALBA, por el ayuntamiento de Cerdanyola del Vallès, aunque por ahora solo es eso, una idea.
