Segunda parte do artigo 'O laser, uma solução para tantos problemas…'

Peter Leibinger, chefe de tecnologia da Trumpf, fez levantar algumas sobrancelhas quando, em 2013, durante a feira Lasys, declarou que o laser tinha passado a ser uma mercadoria. Desde então, o mercado não parou de crescer e, apenas três anos depois, quatro empresas fornecedoras de soluções laser superavam já os mil milhões em vendas.

Na China, o maior mercado do mundo para os lasers, os sistemas até à gama dos kilowatts competem duramente pelo preço mais baixo. O laser tornou-se em mais uma mercadoria? “Na realidade gostaria que fosse assim”, diz Christian Schmitz, diretor executivo da tecnologia laser da Trumpf. “A mercadoria significa maiores quantidades, o que por sua vez faz com que o laser seja uma opção para outras aplicações. Vejo-o como um sinal de que o laser se tornou um grande sucesso”. Mas como será o futuro para um pioneiro da alta tecnologia como a Trumpf? “Como fabricante de laser comercial, também somos capazes de competir em mercados maiores. No entanto, não planeamos renunciar ao mercado das aplicações de alta gama”.

Para Schmitz, isto significa, por exemplo, a produção de lasers para a indústria dos semicondutores. A Trumpf fornece à ASML, o fornecedor holandês de sistemas de fotolitografia, o laser mais potente do mundo produzido em série. A Trumpf dedicou 15 anos ao desenvolvimento desta aplicação laser extremamente especializada, que provavelmente representará mais de 10% das vendas totais em 2020. Além disso, está previsto que continue a crescer, o que irá contrariar a tendência geral da indústria da máquina-ferramenta.

Em novembro de 2020, uma equipa da Zeiss, Trumpf e Fraunhofer IOF foi galardoada com o ‘Deutscher Zukunftspreis’ (Prémio Alemão do Futuro) pelo desenvolvimento da litografia EUV. Um projeto que é sustentado por mais de 2000 patentes. “Para realizar un projeto de alta tecnologia como este”, explica Schmitz, "é cada vez mais importante encontrar os parceiros adequados, entidades com as quais se possa explorar todo o potencial tecnológico de aplicações avançadas como esta".

Schmitz encontrou tais parceiros na Fraunhofer-Gesellschaft, a principal organização mundial de investigação aplicada, com sede na Alemanha. Desta parceria, destaque para o trabalho realizado pelo Instituto Fraunhofer de Ótica Aplicada e Engenharia de Precisão IOF, responsável pelo desenvolvimento dos revestimentos de espelhos EUV. Estes espelhos devem ter uma rugosidade superficial de não mais que 0,1 nm, o diâmetro de um átomo.

Por detrás de uma constelação tão bem-sucedida encontra-se o princípio do instituto Fraunhofer de um equilíbrio entre a investigação básica e aplicada. Um terço do seu financiamento é proporcionado pelo governo para a investigação básica. Tudo o resto tem de ser gerado em projetos conjuntos e contratos de investigação para a indústria. Desta forma, este instituto conseguiu algo que é único no mundo: uma transferência de tecnologia eficaz.

Igualmente importante e eficaz para o sucesso da tecnologia laser na Alemanha foi o apoio proporcionado durante os últimos 60 anos pelos ministérios federais de ciência da Alemanha - inicialmente o Ministério Federal de Investigação e Tecnologia (BMFT), e agora o Ministério Federal de Educação e Investigação (BMBF) - e dos assuntos económicos. Ao financiar a investigação conjunta, conseguiram unir as empresas e os institutos. “A investigação conjunta só pode funcionar quando existe uma cultura de cooperação entre a ciência e a indústria”, diz Andreas Tünnermann, diretor do Fraunhofer IOF.

“Um exemplo disto, na minha opinião, é o desenvolvimento de lasers de impulso ultracurto para o processamento de materiais”, diz Tünnermann. “Nos anos 90 pudemos demonstrar [no Centro de Laser de Hannover] que os lasers de impulso ultracurto podem ser utilizados para texturizar metais com uma precisão na gama micrométrica, mas sem danos significativos para o material. A experimentação inicial para isto fez parte de um projeto conjunto do BMBF”. Entre os parceiros deste projeto encontravam-se empresas como a Bosch e a Trumpf. “Isto também deu lugar a um Deutscher Zukunftspreis, neste caso, para a equipa que tinha trabalhado no projeto conjunto do BMBF”.

Agora, o processamento de material com impulsos ultracurtos (USP) ascende a um novo nível. O CAPS ou Fraunhofer Cluster of Excellence Advanced Photon Sources é coordenado conjuntamente pelo Fraunhofer IOF e pelo Fraunhofer ILT. O CAPS encarrega-se de passar os lasers USP do laboratório para o fabrico industrial.

“Estamos a proporcionar acesso a estes novos lasers USP de alto rendimento numa fase precoce”, explica Constantin Häfner, recentemente nomeado diretor do Fraunhofer ILT. “E criámos instalações tanto em Jena como em Aachem, onde as empresas interessadas podem vir e testar estas fontes de laser únicas, e assim adquirir a experiência necessária para desenvolverem as suas próprias aplicações”.

Para este propósito, não se aumentou apenas a potência de saída para o inaudito valor de 20 quilowatts. Os especialistas do Fraunhofer também melhoram todas as tecnologias ao longo da cadeia de valor, desde a simulação até uma grande quantidade de aplicações. Portanto, os PAC oferecem não só uma base sólida de conhecimentos básicos sobre a tecnologia laser, mas também a oportunidade de cooperar com os institutos do Fraunhofer 13 no desenvolvimento de novas tecnologias e, em última análise, de novas aplicações.

Os grandes projetos, como o CAPS, revelam que a tecnologia do futuro surgirá do cruzamento de parceiros bastante diversificados. O Fraunhofer ILT, em Aachen, tem muita experiência nisto e foi proporcionando instalações de teste específicas para os parceiros da indústria desde os primeiros dias.

Também foi esta experiência que levou Reinhart Poprawe, o predecessor de Häfner como diretor do Fraunhofer ILT, a promover a criação de um Cluster de Fotónica no Campus de Aachen da RWTH. Atualmente, trabalha-se para tornar realidade a sua visão da Produção Fotónica Digital DPP, uma abordagem interdisciplinar de uma nova técnica de fabrico.

Para isso, foram construídos dois novos edifícios perto dos Institutos Fraunhofer e da Universidade RWTH de Aachen. O primeiro é o Edifício Industrial DPP que alberga umas 30 empresas que estão a realizar investigações conjuntas com o Fraunhofer e a RWTH de Aachen como parte das atividades do Campus de Investigação de Produção Fotónica Digital (DPP). Este trabalho é financiado pelo BMBF.

Em frente encontra-se o Edifício de Investigação DPP, onde o Centro de Investigação para a Produção Fotónica Digital (RCDPP) começou a trabalhar. O RCDPP é um dos denominados Institutos Interdisciplinares Integrados da RWTH de Aachen, também conhecido como I³, e envolve investigadores de 16 institutos de um total de 6 faculdades.

O que pode parecer um pouco complexo é na realidade uma abordagem nativa do século XXI. “Trabalhando de forma multidisciplinar e interligada, fomentando uma interseção entre diferentes culturas de investigação, vivendo e respirando um espírito de inovação... é assim que poderemos desenvolver todo o potencial da tecnologia laser para a indústria transformadora do amanhã”, diz Häfner, que também atua como porta-voz do Cluster de Fotónica.

A investigação interdisciplinar já começou. No campo da medicina, por exemplo, já se utiliza a microscopia de exploração por laser de super-resolução, uma tecnologia que foi galardoada com vários prémios Nobel. No futuro, a tecnologia laser também se poderá estabelecer noutras áreas de trabalho de laboratório. No Instituto Fraunhofer de Tecnologia da Informação, os investigadores estão a investigar a interação entre os fotões e as células biológicas.

“Estamos a trabalhar na bioimpressão como uma forma de criar estruturas de tecido em 3D”, explica Häfner. “Usando biomateriais e células vivas, podemos agora criar estruturas biológicas que imitam as propriedades imunológicas, celulares e anatómicas de um paciente humano. A longo prazo, até poderá ser possível utilizar o fabrico aditivo para produzir tecidos e órgãos personalizados em laboratório. Isso iria ajudar-nos a satisfazer a necessidade de transplantes humanos”.

O tema mais escaldante no campo da investigação aplicada do laser neste momento é a tecnologia quântica. Em fevereiro de 2020, o governo federal alemão anunciou um financiamento de 600 milhões de euros para este campo, seguido de outros 2000 milhões como parte do orçamento da COVID-19. Isto é provavelmente mais do que o total combinado de todos os fundos anteriores para a tecnologia laser.

Tünnermann, do Fraunhofer IOF, recorda que “a Alemanha tem estado a promover a tecnologia quântica desde há várias décadas“e que”estes programas significam que temos uma excelente base de investigação básica neste campo”. Em resposta à afirmação de que a China e os E.U.A. já se encontram muito mais à frente, responde: “A minha sensação sobre isto é que as economias mais bem-sucedidas serão aquelas que tiverem estruturas para promover ativamente a transferência desta tecnologia. Por isso, a fotónica é um excelente exemplo, e é um bom plano para um sucesso duradouro com a tecnologia quântica”.

Na atualidade, está a decorrer um processo de agenda nacional no qual os especialistas da indústria, da investigação e das comunidades de utilizadores se reúnem em rede para garantir que o financiamento da tecnologia quântica é utilizado da forma mais eficaz.

Na década de 1960, o laser era considerado “a próxima grande coisa” depois da energia atómica. Ao contrário da energia nuclear, a tecnologia laser tornou-se parte da vida quotidiana. Já desempenha um papel crucial nos campos das telecomunicações e da engenharia de produção, e a sua importância continuará a aumentar.

Uma nova empresa alemã tem planos ainda mais ambiciosos: A Marvel Fusion GmbH investigará a fusão nuclear baseada no laser. A tecnologia para isto baseia-se em sistemas do tipo que está a ser desenvolvido dentro de uma rede de investigação europeia conhecida como a Infraestrutura de Luz Extrema (ELI).

Apoiada por um financiamento que chegou até aos mil milhões de euros, a ELI compreende três institutos na Europa de Leste. Estes estão a trabalhar para tornar realidade a grande visão de Gérard Mourou, vencedor do Prémio Nobel da Física, em 2018. Na sua conferência Nobel, Mourou passou da descoberta inicial de Maiman para um ponto muito distante no futuro, no qual os lasers se podem converter em aceleradores de partículas, ou criar condições comparáveis às do interior das estrelas. Iniciarão a fusão nuclear. E serão tão intensos que retirarão partículas do vazio. A Marvel Fusion está a trabalhar neste caminho rumo a soluções exequíveis.

Portanto, o laser resolveu muitos problemas que eram desconhecidos quando Maiman falou de uma solução em busca de um problema. No entanto, como prometeu o visionário Gérard Mourou, “o melhor está para vir!”

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