Η ερευνητική ομάδα του Ινστιτούτου Φυσικής Πλάσματος και Λέιζερ του Ελληνικού Μεσογειακού Πανεπιστημίου (ΕΛΜΕΠΑ) κατάφερε για πρώτη φορά διεθνώς να δημιουργήσει έναν επαναλαμβανόμενο επιταχυντή ιόντων με χρήση λέιζερ, ανοίγοντας τον δρόμο για τεχνολογίες που μέχρι σήμερα θεωρούνταν εξαιρετικά δύσκολες στην πρακτική εφαρμογή τους.
Το επίτευγμα θεωρείται ορόσημο για τη φυσική πλάσματος και την τεχνολογία λέιζερ, καθώς δημιουργεί τις προϋποθέσεις για μια νέα γενιά μικρότερων, ταχύτερων και οικονομικότερων επιταχυντών σωματιδίων. Οι πιθανές εφαρμογές εκτείνονται από την ιατρική και τη θεραπεία σοβαρών ασθενειών έως την παραγωγή ενέργειας μέσω πυρηνικής σύντηξης.
Στην «καρδιά» της έρευνας βρίσκεται το υπερσύγχρονο λέιζερ «Zeus», που λειτουργεί στις εγκαταστάσεις του Ινστιτούτου στο Ρέθυμνο. Πρόκειται για ένα σύστημα ισχύος 45 τεραβάτ, ικανό να παράγει, έστω και για απειροελάχιστο χρονικό διάστημα, ενέργεια πολλαπλάσια του εθνικού ηλεκτρικού δικτύου. Με τη βοήθεια αυτού του συστήματος, οι ερευνητές κατάφεραν να επιταχύνουν ιόντα – θετικά φορτισμένα σωματίδια – σε ενέργειες που ξεπερνούν το ένα εκατομμύριο ηλεκτρονιοβόλτ ανά νουκλεόνιο, χρησιμοποιώντας αποκλειστικά δέσμες λέιζερ.
Η μεγάλη καινοτομία της ελληνικής ομάδας αφορά τον τρόπο δημιουργίας του στόχου επιτάχυνσης. Μέχρι σήμερα, οι περισσότερες τεχνικές βασίζονταν σε στερεούς στόχους, όπως λεπτά μεταλλικά φύλλα, τα οποία καταστρέφονταν μετά από κάθε χρήση και απαιτούσαν συνεχή αντικατάσταση. Οι ερευνητές του ΕΛΜΕΠΑ αντικατέστησαν τους στερεούς στόχους με ένα αέριο μείγμα ηλίου και υδρογόνου.
Δύο βοηθητικές δέσμες λέιζερ δημιουργούν κρουστικά κύματα μέσα στο αέριο, τα οποία συμπιέζουν το υλικό και σχηματίζουν έναν «οπτικά διαμορφωμένο» στόχο υψηλής πυκνότητας. Ο στόχος αυτός παραμένει σταθερός για αρκετό χρόνο ώστε να δεχθεί τη βασική δέσμη λέιζερ, ενώ στη συνέχεια ανανεώνεται αυτόματα, επιτρέποντας τη συνεχή επανάληψη της διαδικασίας.
Καθοριστικό ρόλο στην επιτάχυνση των ιόντων παίζουν οι λεγόμενες μαγνητικές δίνες. Όταν η κύρια δέσμη λέιζερ αλληλεπιδρά με τον συμπιεσμένο αέριο στόχο, δημιουργείται ένα εξαιρετικά ισχυρό μαγνητικό πεδίο εκατοντάδων χιλιάδων Tesla. Για λόγους σύγκρισης, ένας μαγνητικός τομογράφος λειτουργεί συνήθως με πεδία 1,5 έως 3 Tesla. Το πεδίο αυτό δρα σαν «εκτοξευτήρας», επιταχύνοντας τα ιόντα σε ακραίες ταχύτητες μέσα σε ελάχιστα κλάσματα του δευτερολέπτου.
Η σημασία της ανακάλυψης είναι τεράστια. Στον τομέα της ιατρικής, οι παλμικές δέσμες ιόντων υψηλής ενέργειας μπορούν να αξιοποιηθούν σε προηγμένες μορφές ακτινοθεραπείας, όπως η FLASH θεραπεία, επιτρέποντας στοχευμένη καταστροφή όγκων με πολύ μικρότερη βλάβη στους υγιείς ιστούς. Παράλληλα, η τεχνολογία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή ιατρικών ισοτόπων απευθείας σε νοσοκομεία, μειώνοντας σημαντικά το κόστος και τον χρόνο μεταφοράς.
Εξίσου σημαντικές είναι οι εφαρμογές στον τομέα της πυρηνικής σύντηξης, μιας τεχνολογίας που θεωρείται το μέλλον της καθαρής ενέργειας. Οι δέσμες ιόντων μπορούν να λειτουργήσουν ως μηχανισμός έναυσης της σύντηξης, συμβάλλοντας στην ανάπτυξη συστημάτων παραγωγής ενέργειας χωρίς τα ραδιενεργά κατάλοιπα της πυρηνικής σχάσης.
Ο διευθυντής του Ινστιτούτου, καθηγητής Μιχάλης Ταταράκης, χαρακτήρισε το αποτέλεσμα «ένα πολύ μεγάλο επιστημονικό επίτευγμα παγκοσμίως», τονίζοντας ότι πρόκειται για μια πολυετή ομαδική προσπάθεια που ξεκίνησε πριν από περίπου οκτώ χρόνια. Στην έρευνα συμμετείχαν συνολικά περίπου 25 επιστήμονες, τεχνικοί και φοιτητές, με βασικό πυρήνα δεκαπέντε ερευνητές.
Ιδιαίτερη συμβολή είχε ο μεταδιδακτορικός ερευνητής Γιάννης Ταζές, στο πλαίσιο της διδακτορικής του έρευνας. Όπως ανέφερε, το μεγάλο πλεονέκτημα της νέας τεχνολογίας είναι ότι συνδυάζει υψηλή ακρίβεια, μικρότερο κόστος και περιορισμένες παρενέργειες στις ιατρικές εφαρμογές. Παράλληλα, εξήγησε ότι οι εγκαταστάσεις λέιζερ απαιτούν πολύ μικρότερο οικονομικό κόστος σε σχέση με τους τεράστιους γραμμικούς επιταχυντές που χρησιμοποιούνται σήμερα διεθνώς.
Η έρευνα ήδη προχωρά σε συνεργασία με την Ιατρική Σχολή του Πανεπιστημίου Κρήτης, όπου πραγματοποιούνται πειράματα ακτινοβόλησης κυττάρων με ιδιαίτερα ενθαρρυντικά αποτελέσματα. Σύμφωνα με τους επιστήμονες, τα πρώτα δεδομένα δείχνουν υψηλή ακρίβεια στόχευσης χωρίς εκτεταμένες θερμικές βλάβες στους γύρω ιστούς, κάτι που δημιουργεί σημαντικές προοπτικές για το μέλλον της αντικαρκινικής θεραπείας.
Η διεθνής αναγνώριση δεν άργησε να έρθει. Η έρευνα δημοσιεύθηκε στο κορυφαίο επιστημονικό περιοδικό Physical Review Research, ενώ τιμήθηκε και με το σπάνιο “Certificate of Honors” από τον φορέα High Power Laser Science and Engineering.
Πέρα όμως από το επιστημονικό αποτέλεσμα, η επιτυχία αυτή αποτελεί και μια ισχυρή απόδειξη ότι η ελληνική έρευνα μπορεί να πρωταγωνιστεί διεθνώς. Μέσα από συνεχή προσπάθεια, διεθνείς συνεργασίες και επιμονή στη δημιουργία νέας γνώσης, μια ερευνητική ομάδα από το Ρέθυμνο κατάφερε να βρεθεί στην κορυφή της παγκόσμιας επιστήμης, δείχνοντας ότι το μέλλον της καινοτομίας μπορεί να «γεννηθεί» οπουδήποτε υπάρχει όραμα, συνεργασία και επιστημονική αφοσίωση.
ΟΜΑΔΙΚΗ ΕΠΙΤΥΧΙΑ ΠΟΛΥΕΤΟΥΣ ΠΡΟΣΠΑΘΕΙΑΣ
Η διεθνώς αναγνωρισμένη ερευνητική επιτυχία του Ινστιτούτου Φυσικής Πλάσματος και Λέιζερ του ΕΛΜΕΠΑ αποτελεί αποτέλεσμα πολυετούς συλλογικής προσπάθειας, στην οποία συμμετείχε σχεδόν το σύνολο του επιστημονικού δυναμικού του Ινστιτούτου. Όπως εξήγησε ο καθηγητής του ΕΛΜΕΠΑ Βασίλης Δημητρίου, μέλος της τριμελούς επιτροπής της διδακτορικής διατριβής του Γιάννη Ταζέ, μαζί με τον καθηγητή Νεκτάριο Παπαδογιάννη και τον διευθυντή του Ινστιτούτου Μιχάλη Ταταράκη, η έρευνα ξεκίνησε πριν από χρόνια με θεωρητικές προσομοιώσεις για τη δημιουργία στόχων ικανών να επιταχύνουν σωματίδια σε υψηλές ταχύτητες και μεγάλες ενέργειες.
Ο Βασίλης Δημητρίου ανέφερε πως οι υπολογιστικές μελέτες απέδειξαν ότι η διαδικασία μπορούσε να λειτουργήσει πρακτικά, ενώ οι υποδομές και τα λέιζερ του Ινστιτούτου έδωσαν στην πειραματική ομάδα τη δυνατότητα να το επιτύχει. Σημαντικό ρόλο έπαιξε το διδακτορικό έργο του Γιάννη Ταζέ, μέσα από το οποίο αναπτύχθηκαν επαναλήψιμοι αέριοι στόχοι, χωρίς την ανάγκη συνεχούς αντικατάστασης στερεών υλικών.
Ο ίδιος υπογράμμισε ότι η δυνατότητα διατήρησης του στόχου για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα επιτρέπει σε ισχυρά λέιζερ, όπως το Zeus, να παράγουν συνεχόμενα μεγάλες ποσότητες ιόντων με εφαρμογές κυρίως στην ιατρική και στη σύντηξη. Παράλληλα, σημείωσε ότι η τεχνολογία αυτή μπορεί να αξιοποιηθεί από εργαστήρια χωρίς την ανάγκη τεράστιων επιταχυντών.
Ο Μιχάλης Ταταράκης, όπως τόνισε ο Βασίλης Δημητρίου, εκπροσωπεί διεθνώς το Ινστιτούτο μέσα από ομιλίες και συνεργασίες σε κορυφαία ερευνητικά κέντρα, ενώ ο Νεκτάριος Παπαδογιάννης εφαρμόζει ήδη τη μέθοδο σε αντίστοιχες ερευνητικές εφαρμογές. Η έρευνα δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Physical Review και είναι προσβάσιμη στον υπερσύνδεσμο: https://doi.org/10.1103/v4d2-2b9j
