Laboratório Berkeley dos EUA e Ideon recebem financiamento para desenvolver imageador de múons móvel

De acordo com pt.wedoany.com-A Agência de Projetos de Pesquisa Avançada em Energia (ARPA-E) do Departamento de Energia dos EUA (DOE), por meio do programa "Caracterização Confiável de Minérios por Sensores Fundamentais" (ROCKS), concedeu financiamento a um projeto de colaboração entre o Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) e a Ideon Technologies. Este projeto de três anos visa imagear minerais profundos no subsolo com uma precisão que as tecnologias de sensoriamento tradicionais não conseguem alcançar, garantindo o fornecimento doméstico de minerais críticos nos EUA, materiais essenciais para a segurança energética, industrial e nacional.

O núcleo do projeto são os múons, partículas subatômicas naturais de altíssima penetração. A Ideon trabalha há anos com a indústria de mineração, utilizando múons "passivos" produzidos por colisões de raios cósmicos com partículas da atmosfera para mapear depósitos minerais e compreender estruturas subterrâneas. Esses múons chegam apenas de cima, o que limita a imagem para detectores localizados abaixo de corpos de minério ou formações geológicas; o fluxo é de aproximadamente um múon por centímetro quadrado por minuto, e a exposição para imageamento geralmente leva dias, semanas ou até meses, dependendo da profundidade e resolução necessárias.

O novo projeto visa fornecer feixes de múons de alto fluxo que podem ser direcionados a alvos como corpos de minério, gerando imagens 3D de alta resolução e reduzindo o tempo de descoberta e caracterização de minerais de meses para horas, acelerando o processo da descoberta à extração. Essas fontes de múons dependem de aceleradores de partículas de alta energia, e os equipamentos precisam ser suficientemente compactos e móveis para se adequarem a aplicações em campo.

Jeroen van Tilborg, pesquisador principal do projeto, cientista sênior e vice-diretor experimental do centro BELLA do departamento de Tecnologia de Aceleradores e Física Aplicada (ATAP) do Berkeley Lab, explicou que múons com energia de cerca de 10 gigaelétrons-volts (GeV) podem penetrar aproximadamente 20 metros de rocha, solo e camadas minerais; múons de energia mais alta, de 30 GeV a 100 GeV, podem penetrar de 50 metros a mais de 100 metros de profundidade.

A fonte de múons "ativos" é baseada na tecnologia de acelerador de plasma a laser (LPA) desenvolvida no centro BELLA. Pulsos de laser ultracurtos e intensos deslocam elétrons no plasma, e a onda eletrostática resultante (esteira) pode fornecer campos de aceleração várias ordens de grandeza maiores que os aceleradores convencionais, acelerando feixes de elétrons a energias de vários GeV em distâncias centimétricas. Os elétrons são então direcionados a um alvo sólido, produzindo feixes de múons três a quatro ordens de grandeza mais intensos que o fluxo natural, mantendo a energia dos elétrons incidentes. Van Tilborg afirmou que o driver de feixe de elétrons de alta carga e alta energia necessário para gerar feixes de múons é exatamente o domínio onde o LPA compacto se destaca, graças ao seu gradiente de aceleração ultra-alto e compacidade.

O Berkeley Lab já acelerou feixes de elétrons de 10 GeV em um único estágio em uma distância de 30 centímetros. O objetivo atual do projeto é acoplar dois estágios LPA de aproximadamente 6 GeV para alcançar aceleração acima de 12 GeV. Após concluir e reduzir o risco desse conceito de múltiplos estágios, será validado o caminho técnico para sistemas de 30 GeV (penetrando 50 metros de rocha) e sistemas de 100 GeV (penetrando 150 metros).

Os componentes-chave para a aceleração em dois estágios são as lentes de plasma ativas e os espelhos de plasma de alta refletividade: as primeiras refocalizam o feixe de elétrons ao sair de um estágio e entrar no próximo, enquanto os segundos preservam as características do laser, permitindo que ele continue a impulsionar a esteira de plasma do estágio seguinte. Juntos, esses componentes garantem que o feixe de elétrons passe por cada estágio e ganhe energia progressivamente, o que é essencial para gerar os múons de penetração profunda necessários para imageamento de alta resolução dos alvos geológicos mais profundos.

Anthony Gonsalves, cientista da equipe do departamento ATAP, afirmou que os anos de investimento do Berkeley Lab em pesquisa de LPA produziram as tecnologias que tornam este projeto possível. Ele lidera o trabalho do acelerador e atua como líder experimental do novo projeto de múons. Para ele, este projeto é uma oportunidade empolgante de transformar décadas de pesquisa em aceleradores em tecnologia que atende a uma importante necessidade nacional, desenvolvendo sistemas confiáveis para fornecer os múons de alta energia necessários para imageamento subterrâneo real.

O projeto é conduzido por três instituições com divisão de trabalho. O departamento ATAP, como líder de hardware, aplica sua experiência em interações laser-plasma e simulações de alta fidelidade de partículas no contínuo (Particle-In-Cell) para desenvolver a fonte de elétrons de 12 GeV em dois estágios. A Ideon fornece capacidades de tomografia de múons e fusão avançada de dados para exploração mineral e mineração; seus conjuntos proprietários de detectores de múons, simulações físicas e software geológico convertem dados brutos em visualizações 3D de densidade de massa, permitindo que geólogos identifiquem depósitos minerais e anomalias estruturais com resolução de nível métrico. O departamento de Física do Berkeley Lab, com décadas de experiência em detectores de colisores de partículas de alta energia, fornece instrumentação de múons e diagnósticos de rastreamento de partículas para otimizar o feixe de múons.

Douglas Schouten, diretor de tecnologia da Ideon, afirmou que o desafio dos minerais críticos exige maneiras mais rápidas e melhores de compreender e desenvolver os recursos urgentemente necessários à sociedade. Com os resultados do projeto, a física mais avançada que a do maior acelerador de partículas do mundo poderá imagear milhões de pés cúbicos de rocha em horas, não em meses. A colaboração da Ideon com instituições de pesquisa de classe mundial como o Berkeley Lab está trazendo essa capacidade de ponta para fora do laboratório, combinando-a com sensoriamento avançado e o poder de penetração de partículas subatômicas para liberar valor para as indústrias das quais a sociedade depende.

Ao combinar a experiência do Berkeley Lab em aceleradores avançados com as capacidades comerciais e de sensoriamento quântico avançado da Ideon, este projeto tem o potencial de estabelecer as bases para uma caracterização de recursos minerais mais rápida, precisa e econômica, impulsionando o desenvolvimento doméstico de minerais críticos e fortalecendo as cadeias de suprimento para a segurança energética, industrial e nacional. As aplicações desta tecnologia vão além da mineração. O sistema de imageamento também pode identificar cavidades subterrâneas, fissuras e cavernas, oferecendo vantagens para engenharia civil e segurança industrial, além de impactar a segurança nacional e a infraestrutura crítica.

Cameron Geddes, diretor do departamento ATAP, afirmou que, ao pioneirar o desenvolvimento de fontes portáteis de múons de penetração profunda, este projeto garante a liderança dos EUA em recursos minerais críticos vitais para a energia e a economia, com tecnologias provenientes de anos de pesquisa inovadora em aceleradores e detectores.