Zamiast odtwarzać stary sprzęt śrubka po śrubce, naukowcy wykorzystają współczesną elektronikę, automatykę i algorytmy, aby zmienić go w narzędzie potrzebne dopiero teraz. Właśnie taki proces zachodzi w Stanach Zjednoczonych, gdzie dziedzictwo Projektu Manhattan spotkało się z terapiami przeciwnowotworowymi, diagnostyką płuc, układami półprzewodnikowymi i komputerami kwantowymi.
Pomysł narodził się podczas budowy bomby atomowej
Oak Ridge National Laboratory ogłosiło odbudowę amerykańskich zdolności do wzbogacania stabilnych izotopów na większą skalę. Sam komunikat jest wyjątkowo optymistyczny i przedstawia przedsięwzięcie niemal jako wielki powrót po trzydziestu latach przerwy. Korzenie całej historii prowadzą do kalutronów, czyli ogromnych elektromagnetycznych separatorów izotopów zbudowanych w ramach Projektu Manhattan. Maszyny te przypominały przerośnięte spektrometry masowe. Materiał był jonizowany, a następnie przepuszczany przez pole magnetyczne. Ponieważ poszczególne izotopy tego samego pierwiastka mają nieco inną masę, ich tory zakrzywiały się pod różnymi kątami. Pozwalało to zbierać je osobno.
Czytaj też: Zaskakujący wyścig o przyszłość. Chiny na ścieżce do wyprzedzenia USA w kluczowych wskaźnikach rozwoju!
Pierwotnym zadaniem kalutronów było wzbogacanie uranu. Po zakończeniu wojny nie zostały jednak one wyrzucone od razu na złom. Część instalacji została oczyszczona i przystosowana do produkcji stabilnych izotopów wykorzystywanych później w nauce, medycynie oraz przemyśle. Ostatnia działająca instalacja Beta 3 zakończyła pracę w 1998 roku. Innymi więc słowy, sama technologia powstała jeszcze podczas II wojny światowej, ale właśnie w kolejnych dekadach została zmieniona z narzędzia programu atomowego w zaplecze cywilnej nauki. Zimna wojna odziedziczyła więc kalutrony, rozbudowała ich znaczenie i pozostawiła Stanom Zjednoczonym magazyn wzbogaconych izotopów, z którego kraj korzystał długo po zamknięciu ostatnich maszyn.
Stabilny izotop wcale nie musi być zwyczajnym materiałem
Słowo “izotop” nadal automatycznie kojarzy się wielu osobom z radioaktywnością. Niesłusznie. Izotopy są odmianami tego samego pierwiastka, które mają identyczną liczbę protonów, ale różną liczbę neutronów. Część z nich rozpada się i emituje promieniowanie, a część pozostaje stabilna. Różnica wynosząca zaledwie kilka neutronów może całkowicie zmienić przydatność danego materiału. Właśnie dlatego kontrolowanie składu izotopowego nie jest laboratoryjną fanaberią. Naturalny kawałek pierwiastka stanowi zwykle mieszaninę kilku izotopów, a naukowcy lub przemysł mogą potrzebować wyłącznie jednego z nich i to w czystości przekraczającej 99 procent.
Pisałem już o znaczeniu takich różnic przy naturalnym reaktorze jądrowym w Oklo. Właśnie nietypowa zawartość uranu-235 zdradziła wtedy, że dwa miliardy lat temu w afrykańskim złożu zachodziła samopodtrzymująca się reakcja jądrowa. W Oak Ridge chodzi o odwrotny proces. Zamiast odczytywać historię zapisaną w proporcjach izotopów, Amerykanie chcą te proporcje świadomie projektować. Nie bierze się to znikąd, bo bez własnych instalacji Stany Zjednoczone zaczęły polegać na dostawcach z Chin, Republiki Południowej Afryki, Kanady, Belgii i Holandii. Problem sprowadza się więc do tego, że niedobór odpowiedniego izotopu może opóźnić produkcję leków, skanerów bezpieczeństwa, aparatury medycznej albo urządzeń kwantowych.
Jedna maszyna dostarczy materiał do terapii raka i komputerów kwantowych
Najciekawszym elementem programu jest w moich oczach technologia EMIS, czyli elektromagnetyczna separacja izotopów. Jej podstawowa zasada przypomina działanie dawnych kalutronów, ale współczesne urządzenia są mniejsze, modułowe, zautomatyzowane i znacznie bardziej elastyczne. Nowoczesny separator może podczas jednego procesu oddzielić kilka izotopów tego samego pierwiastka. Dawne kalutrony wymagały kolejnych etapów i nie potrafiły równie efektywnie przechwytywać wszystkich odmian materiału. Dzisiejszy EMIS może więc przetwarzać iterb i jednocześnie odzyskiwać iterb-176 oraz iterb-171.
Czytaj też: Satelity mogą nagle ogłuchnąć. USA pokazały broń, która nie generuje eksplozji na orbicie
Pierwszy z nich jest stabilnym materiałem wyjściowym do produkcji lutetu-177. Po napromieniowaniu iterbu-176 neutronami powstaje iterb-177, który następnie rozpada się do lutetu-177. Radioaktywny lutet można następnie połączyć z cząsteczką rozpoznającą określone komórki nowotworowe. Preparat dostarcza wtedy promieniowanie bezpośrednio do guza, ograniczając ekspozycję zdrowych tkanek. Nie oznacza to oczywiście powstania jednej uniwersalnej metody leczenia każdego rodzaju raka. Iterb-176 jest materiałem potrzebnym do wytworzenia radionuklidu, a lutet-177 musi jeszcze trafić do odpowiednio zaprojektowanego radiofarmaceutyku. Dopiero taki lek może zostać wykorzystany w konkretnym rodzaju terapii.
Podczas tego samego procesu EMIS może odzyskać iterb-171, który jest wykorzystywany w zegarach atomowych oraz badaniach nad komputerami kwantowymi. Oprócz niego ORNL zademonstrowało produkcję germanu-76 i krzemu-28, czyli materiałów ważnych dla przyszłych układów półprzewodnikowych i kwantowych. Zresztą właśnie krzem-28 pokazuje najlepiej, dlaczego producenci nie mogą po prostu kupić dowolnego worka krzemu. Naturalny krzem zawiera niewielką domieszkę krzemu-29, którego jądra mają spin magnetyczny. Dla klasycznego procesora nie jest to wielki problem, ale w komputerze kwantowym takie jądra mogą zakłócać stan kubitów i skracać czas koherencji. Oczyszczenie materiału z krzemu-29 oraz zwiększenie udziału pozbawionego spinu krzemu-28 tworzy spokojniejsze środowisko dla kubitów spinowych.
Czytaj też: Chiński gigant detronizuje USA: LineShine na czele globalnego wyścigu superkomputerów!
Właśnie dlatego produkcja izotopów jest jednym z potencjalnie najważniejszych elementów rozwoju komputerów kwantowych. Można pokazywać kolejne procesory, rekordy liczby kubitów i efektowne kriostaty, lecz bez odpowiednio czystych materiałów wszystko zaczyna się rozjeżdżać na poziomie pojedynczych atomów. Podobną zależność opisywałem już przy kwantowych czujnikach wykorzystujących atomy zamiast klasycznych anten.
EMIS nie załatwi wszystkiego. Dlatego obok staną wirówki gazowe
Elektromagnetyczny separator ma jedną podstawową zaletę – elastyczność, bo może pracować z pierwiastkami z praktycznie całego układu okresowego. Zmiana produkowanego izotopu może zająć tygodnie, a poszczególne urządzenia działają niezależnie. Jedna maszyna może wzbogacać iterb, druga nikiel, a trzecia produkować niewielką partię rzadkiego materiału do eksperymentu. EMIS najlepiej sprawdza się jednak przy produkcji od miligramów do gramów bardzo silnie wzbogaconego materiału. Kiedy potrzebne są większe ilości izotopu dostępnego w postaci związku gazowego, to lepszym rozwiązaniem stają się wirówki GCIS. Mogą one działać taniej i produkować znacznie większe partie, choć przestawienie instalacji na inny materiał bywa procesem trwającym nawet kilka lat.
W Oak Ridge wirówki mają koncentrować się przede wszystkim na ksenonie-129. Izotop ten można wykorzystać jako środek kontrastowy podczas rezonansu magnetycznego płuc. Pacjent wdycha odpowiednio przygotowany gaz, a lekarze obserwują jego przepływ oraz rozmieszczenie w drogach oddechowych. Metoda nie wymaga promieniowania jonizującego, więc obrazowanie może być powtarzane podczas leczenia. EMIS i GCIS nie są więc konkurencyjnymi odpowiedziami na ten sam problem. Pierwszy system przypomina elastyczne laboratorium produkujące niewielkie partie bardzo rzadkich materiałów. Drugi ma działać bardziej jak wyspecjalizowana linia przemysłowa.
SIPRC kupi dla USA świetlaną przyszłość
Zasada działania narodziła się podczas Projektu Manhattan. Infrastruktura dojrzewała przez zimną wojnę. Jej współczesna wersja wykorzystuje automatykę, modelowanie plazmy, uczenie maszynowe i zaawansowaną chemię. Produktem nie ma już być przede wszystkim materiał do budowy arsenału atomowego, ale składniki leków przeciwnowotworowych, kontrast do obrazowania płuc i kryształy potrzebne komputerom kwantowym. Dążenie do tego trwało od ponad dekady, obecne zdolności są jeszcze ograniczone, a nowe centrum będzie uruchamiane etapami. Harmonogram również zdążył się już zmienić.
Największym elementem programu będzie Stable Isotope Production and Research Center, czyli SIPRC. Budowa obiektu aktualnie trwa, a najnowszy komunikat ORNL zapowiada rozpoczęcie etapowej działalności w 2028 roku. Jesteśmy więc świadkami czegoś wyjątkowego. Wielkie przełomy nie zawsze zaczynają się bowiem od nowego procesora, leku czy skanera. Czasem najpierw trzeba zbudować maszynę, która dostarczy kilka gramów właściwego izotopu. Dopiero później cała reszta przyszłości może w ogóle powstać.
Źródła: Oak Ridge National Laboratory
