Revista >> Martie 2018 [Nr. 202] >> Cover Story

CETAL, autostrada României către Laser Valley

Alexandru Batali

19 Martie 2018

Centrul de Tehnologii Avansate cu Laser – CETAL, facilitate dezvoltată de Institutul Național de Cercetare-Dezvoltare pentru Fizica Laserilor, Plasmei și Radiațiilor (INFLPR), este cea mai importantă investiție cu finanțare integral românească în domeniul dezvoltării tehnologiilor bazate pe laseri: de la aplicații industriale, nanotehnologii cu laser, aplicații bio-medicale, până la cercetări fundamentale în domeniul laserilor de mare putere. În prezent, sistemul laser CETAL-PW este unic în România și unul dintre cele mai avansate din lume. În Europa Centrală și de Est nu există o instalație asemănătoare care funcționează la parametrii laserului de 1 Petawatt, CETAL având un rol cheie în dezvoltarea resursei umane din domeniu și în pregătirea viitoarelor experimente de la ELI-NP, unde se construiește cel mai puternic laser din lume. În anul Centenarului, CETAL este unul dintre proiectele deosebite cu care România se prezintă în fața întregii lumi și totodată o imagine-simbol despre valoarea și potențialul științific și tehnologic al țării noastre. Începută în urmă cu 3 ani, mai puțin cunoscută, dar cu capitole consistente în termeni de unicitate și performanță, CETAL este o poveste frumoasă și reușită din istoria recentă a României, ce se lasă descoperită în paginile Market Watch.

„CETAL este primul centru de anvergură din România destinat activității de cercetare-dezvoltare într-un domeniu de mare actualitate economico-științifică și anume cel al laserilor și fotonicii. Investiția oferă oportunitatea dezvoltării în țara noastră a unui domeniu de cercetare fundamentală și aplicativă pentru care există o tradiție de peste 30 de ani și personal calificat care să o valorifice. La Măgurele au fost construiți în anii '70 – '80 majoritatea laserilor utilizați în industria României din acea perioadă, iar CETAL reprezintă astăzi oportunitatea României de a relansa tehnologiile bazate pe laser în direcții moderne precum fabricare aditivă, inginerie tisulară, comunicații cuantice, industrie aerospațială și altele. Un alt obiectiv al centrului este direct legat de dezvoltarea laserului de mare putere de la infrastructura ELI-NP”, explică dr. fiz. Marian Zamfirescu, șeful CETAL.

Un început dificil, o constantă critică
CETAL a fost conceput ca o infrastructură de cercetare accesibilă instituțiilor academice, întreprinderilor mici și mijlocii, dar și operatorilor economici prin transfer de cunoștințe și acces la servicii de cercetare. Principalul obiectiv al infrastructurii este de a dezvolta tehnologii cu laser pe care să le transfere industriei românești și din această perspectivă a fost gândită să funcționeze ca o instalație de interes național. În prezent însă nu există finanțare asociată acestui statut… Proiectul de implementare a centrului CETAL s-a derulat în perioada 2008-2014, demarând în timpul crizei financiare ce a atins inclusiv România. Echipa de implementare s-a confruntat atunci cu multiple dificultăți legate de modificări semnificative ale cursului valutar, inflație, reeșalonarea plăților și amânarea etapelor de desfășurare a proiectului. Cu toate acestea, infrastructura a fost dată în folosință cu succes în luna octombrie 2014. Investiția inițială din proiectul de implementare a fost necesară, însă nu și suficientă pentru a asigura atingerea obiectivelor fixate. Prin specificul lor, proiectele pentru infrastructuri noi de cercetare pot finanța exclusiv proiectarea și construcția clădirilor și achiziția echipamentelor, dar nu pot susține cheltuielile de personal, de formare a personalului sau de mentenanță a echipamentelor în primii ani după darea în folosință.
Primii ani de existență au fost și cei mai dificili pentru CETAL. În condițiile în care centrul și-a propus să-și păstreze rolul de infrastructură de cercetare accesibilă și altor entități academice și economice, prin nivelul de dotare, de unicitate și de impact al cercetărilor, se justifica pe deplin includerea sa în lista Instalațiilor și Obiectivelor Speciale de Interes Național, mecanism de finanțare a costurilor de funcționare a celor mai importante infrastructuri de cercetare din țară, mai ales că la inaugurarea centrului, în 2014, România deținea singurul laser de putere 1 PW funcțional din Europa: CETAL-PW.
În ciuda repetatelor cereri de includere a CETAL în lista Instalațiilor de Interes Național, acest lucru nu s-a întâmplat nici după 3 ani de la inaugurarea centrului. Procesul de evaluare și analiză a aplicațiilor este condiționat de înființarea comisiei de specialitate la nivelul Ministerului Cercetării. Motive care țin fie de factori economici, fie de politici, fie de desele modificări ale structurii de organizare a ministerului de resort au făcut ca factorii de decizie să pună la coada listei de priorități evaluarea cererilor pentru noile infrastructuri de cercetare de interes național.
În primii 2 ani de existență a centrului CETAL, ca urmare a unui număr redus de cercetători eligibili să conducă proiecte de cercetare, dar și a unei perioade caracterizată de o lipsă de competiții de proiecte, finanțarea din proiecte de cercetare a reprezentat doar aproximativ 10% din bugetul total al centrului. Mai mult, astfel de fonduri acoperă doar costurile activităților de cercetare prevăzute în proiecte și nu pot susține costurile de întreținere a infrastructurii. INFLPR a făcut eforturi importante de susținere a centrului din surse proprii pentru a asigura strictul necesar funcționării infrastructurii: utilități, salariile personalului permanent, achiziționarea unor componente optice critice pentru menținerea în stare de funcționare a laserului PW, mentenanțele unor componente critice ale clădirii sau ale echipamentelor sofisticate din CETAL.
Finanțarea în primii doi ani a fost doar la jumătate din minimul necesar. Lipsa unei finanțări la un nivel minim pentru o perioadă prelungită ar putea avea efecte precum degradarea ireversibilă a instalațiilor și echipamentelor (a componentelor optice, electrice și de automatizări) prin neasigurarea mentenanțelor periodice și a pieselor de schimb; reducerea gradului de utilizare a echipamentelor și uzură morală prin întârzierea rezultatelor estimate; creșterea costurilor de întreținere; stoparea activității de cercetare realizate cu acele echipamente; inducerea pe perioada nefuncționării echipamentelor a unor costuri suplimentare utilizatorilor români sau străini detașați la CETAL pentru experimente; inducerea de pierderi financiare utilizatorilor prin nerealizarea proiectelor de cercetare în derulare.

Dobîndirea statutului de instalație de interes național, între necesitate și normalitate
„Finanțarea CETAL ca Instalație de Interes Național ar permite asigurarea unor fonduri constante pentru acoperirea permanentă a costurilor de mentenanță a echipamentelor, de întreținere a facilității și, în consecință, concentrarea resurselor din proiectele de cercetarea către activitățile propuse în proiecte, pentru creșterea calității rezultatelor și către noi echipamente complementare necesare dezvoltării durabile a infrastructurii”, subliniază dr. fiz. Marian Zamfirescu.
Argumentele care susțin includerea CETAL în lista Instalațiilor și Obiectivelor Speciale de Interes Național sunt numeroase. CETAL a fost creat simultan cu demersurile de atragere a proiectului pan-european ELI (Extreme Light Infrastructure). De asemenea, laserul CETAL-PW aflat în dotarea centrului face parte din strategia de dezvoltare a laserilor de mare putere din România:
• 2006 laserul GIWALAS: putere de vârf de 3 GW (investiție INFLPR);
• 2009 laserul TEWALAS: putere de vârf de 10 TW (investiție INFLPR);
• 2013 CETAL-PW: putere de vârf de 1 PW (investiție INFLPR);
• 2019 (estimare) ELI-NP: putere de vârf de 10 PW (proiect european condus de IFIN-HH).
În acest context, CETAL are un rol cheie în dezvoltarea resursei umane în acest domeniu și în pregătirea viitoarelor experimente de la ELI-NP.
Prin nivelul de dotare, infrastructura este unică în România și în regiunea Europei de Est și atrage deja interesul grupurilor de cercetare din țările învecinate. În prezent, cercetătorii din CETAL participă la proiecte în parteneriate cu laboratoare din străinătate. Infrastructura CETAL este pe cale să devină un pol științific de interes regional deja accesat de cercetători din laboratoare precum Institute of Solid State Physics și Institute of Electronics - Bulgarian Academy of Sciences - din Sofia, Vinča Institute of Nuclear Sciences din Belgrad, Serbia.
Unicitatea infrastructurii derivă atât din performanțele deosebite ale echipamentelor luate în mod individual, cât și din complementaritatea lor. De exemplu, în aceeași clădire funcționează sistemele de micro- și nano- procesare, utilizate printre altele la fabricarea de ținte 3D nanostructurate pentru laseri de mare putere, dar și sistemul laser CETAL-PW unde sunt utilizate acele ține. În CETAL se găsesc tehnici complementare de spectroscopie care pot fi folosite împreună pentru a îmbogăți informația despre compoziția și proprietățile fizice ale unui eșantion.

Infrastructura materială state-of-the art
CETAL cuprinde instalații ultra-moderne a căror valoare contabilă totală depășește 41 mil. lei. Printre echipamentele unicat în România amintim: laserul de mare putere - 1 PW, cu pulsuri ultrascurte - 25 fs (Thales Lasers, Franța), instalații de procesare cu laser de 3 kW în undă continuă (Trumpf GmbH, Germania) pentru operații industriale precum tăiere, sudură și fabricare aditivă 3D de structuri metalice, instalația pentru litografie laser 3D (Nanoscribe GmbH, Germania) pentru fabricarea de structuri cu rezoluție submicrometrică în materiale fotosensibile, laser picosecunde de 50 W și frecvență de repetiție a pulsurilor de 500 kHz (Lumera GmbH, Germania) pentru micro- și nanoprocesări cu laser, fabricare de dispozitive lab-on-a-chip, dispozitive microfluidice, funcționalizare de suprafețe prin nanotexturare laser, precum și numeroase echipamente pentru investigații fotonice, spectroscopie și metrologie, ce acoperă un domeniu spectral foarte vast, din ultraviolet până în domeniul teraherzilor.
La echipamentele instalate inițial din proiectul CETAL se adaugă cele puse în funcțiune în perioada 2014-2017, în perioada post-implementare, pentru a menține infrastructura de cercetare la un nivel înalt de tehnologie. În afară de echipamente, CETAL include următoarele facilități: un buncăr subteran ce asigură ecranarea la radiațiile ionizante și pulsurile electro-magnetice posibil a fi produse în timpul experimentelor cu Laserul CETAL-PW; o cameră curată ISO 8 pentru laserul PW; o cameră curată ISO 7 pentru micro- și nanoprocesări cu laser; o cameră curată ISO8 cu izolație anti-vibrații și ecranare electromagnetică, precum și camere negre pentru măsurări metrologice de mare precizie; cameră izolată la vibrații pentru testare la șocuri și vibrații; infrastructură pentru teste și experimente de biologie și chimie.

Este important de subliniat faptul că sistemul laser CETAL-PW este unic în România și unul dintre cele mai avansate din lume. La ora actuală în lume sunt puține sisteme laser de clasă Petawatt. Acestea sunt: laserul Vulcan de la Rutherford Appleton Laboratory din UK, laserul TEXAS-PW de la Universitatea Texas din Austin, laserul BELLA de la Lawrence Berkeley National Laboratory, ce are o arhitectură similară cu Sistemul CETAL-PW, laserul ILE de la Universitatea din Osaka, Japonia, SIOM din China și GIST din Coreea de Sud. Alte sisteme sunt de putere mai mică și sunt în fază de upgradare de la nivel de sute de TW la PW, cum ar fi sistemul VEGA din Salamanca, Spania, sau sistemul DRACO din Dresda, Germania. În Europa Centrală și de Est nu există o instalație asemănătoare care să funcționeze la parametrii laserului de 1 Petawatt.
În curând Laserul ELI-NP va fi funcțional la Măgurele, iar puterea maximă va fi de 10 ori mai mare decât cea de la CETAL. Existența celor două sisteme la o proximitate de doar câțiva km distanță reprezintă un avantaj unic pe care îl are România față de alte sisteme din lume. Cele două sisteme laser de mare putere sunt complementare, experimente complexe pot fi pregătite în etape intermediare, înainte să fie instalate la ELI-NP. Chiar și acum CETAL beneficiază de infrastructura dezvoltată anterior, este vorba de un laser de mai mică putere - 10 TW, laserul TEWALAS instalat în 2009, laser care nu a fost foarte popularizat publicului larg, dar care stă la temelia a tot se întâmplă acum în România în domeniul laserilor de mare putere.

Capitalul uman valoros
O infrastructură performantă este valorificată întotdeauna optim când dispune de specialiști și echipe de top. Din acest motiv structura de personal a avut o evoluție rapidă, ajungând de la un număr de aproximativ 20 de persoane la darea în folosință a infrastructurii, până la 35 de persoane cât lucrează în prezent în cele trei laboratoare.
Evoluția infrastructurii umane a avut un impact favorabil asupra dezvoltării centrului și pentru ieșirea rapidă dintr-un cerc vicios în care se afla în primul an de existență: fără personal suficient nu puteau fi atrase suficiente proiecte de cercetare, fără proiecte nu se puteau asigura resursele financiare funcționării centrului, iar fără finanțare nu se putea angaja numărul optim de personal calificat. Saltul major în dezvoltarea resursei umane s-a făcut în perioada 2016-2017, când un număr important de cercetători cu gradul CS 1, CS 2 și CS 3 au fost cooptați din laboratoarele INFLPR pentru a adera la structura de personal a centrului.
În prezent, din cei 35 de angajați ai CETAL, 20 sunt cercetători, 6 asistenți de cercetare, 2 sunt ingineri și 7 fac parte din personalul auxiliar. Structura pe funcții de cercetare este următoarea: 4 - CS 1, 6 - CS2, 4 - CS3, 6 - CS și 6 - ACS. 19 sunt doctori în Fizică sau Inginerie și 6 sunt doctoranzi. Media de vârsta pentru personalul de cercetare din CETAL este de 38 de ani. Mai mult de jumătate dintre cercetători fie au titlul de doctor în științe obținut la universități din străinătate, fie au efectuat stagii de cercetare la instituții din țări precum Franța, Italia, Marea Britanie, Grecia, Japonia.
La lista actuală de personal se adaugă încă 6 posturi vacante, preponderent ingineri de dezvoltare tehnologică - IDT, prin care se urmărește în următorii ani întărirea infrastructurii umane de la CETAL și orientarea resurselor nu doar către Cercetare Fundamentală și Aplicativă, dar și către Dezvoltare Tehnologică, pentru a accelera procesul de transfer tehnologic către mediul economic.

Structurarea activității științifice
CETAL este cel mai nou departament al INFLPR și are în structura sa trei laboratoare, care acoperă trei direcții principale de cercetare și dezvoltare: CETAL-PW - Laboratorul pentru interacții laser în câmp ultra-intens, CETAL-LaMP - Laboratorul de procesări cu laser a materialelor și CETAL-PhIL - Laboratorul pentru investigații fotonice.
CETAL-LaMP este Laboratorul pentru procesări cu laser (http://cetal.inflpr.ro/lamp) unde sunt dezvoltate tehnici de procesare laser cu aplicații industriale: tăiere cu laser, sudură cu laser, fabricare aditivă 3D (printare 3D cu pulberi metalice), dar și aplicații ce necesită procesări de înaltă rezoluție, submicrometrică: optică integrată, inginerie tisulară și materiale biomimetice. Laboratorul este dotat cu o gamă largă de laseri, în undă continuă și pulsați, pentru a acoperi și dezvolta diverse domenii aplicative.
CETAL-PhIL este Laboratorul pentru investigații fotonice (http://cetal.inflpr.ro/phil): Laboratorul este dotat cu echipamente de ultimă generație pentru caracterizări spectroscopice din ultraviolet până în domeniul teraherzilor, pentru investigarea materialelor, metrologie fotonică, echipamente de caracterizare a fibrelor optice și senzorilor cu fibră optică, echipamente de testare la vibrații și șocuri cu aplicații în industria auto și aerospațială și o facilitate de culturi și analize celulare.
CETAL-PW este Laboratorul de interacții laser în regim ultra-intens (http://cetal.inflpr.ro/cetal-pw): Laserul de mare putere - 1 PW, atunci când este puternic focalizat pe un material sau într-un gaz, produce efecte de accelerare de particule, electroni sau protoni, la energii comparabile cu cele din acceleratoarele clasice de particule, însă într-un spațiu mult mai restrâns, cu investiții și costuri de întreținere mult mai reduse. La CETAL sunt vizate aplicații ale particulelor accelerate de simulare a radiațiilor cosmice, pentru testarea în laborator a echipamentelor pentru misiunile spațiale. Se desfășoară și experimente de fizică fundamentală precum fizica plasmei, experimente de comprimare de puls optic pentru dezvoltarea viitoarelor generații de laseri de mare putere, inclusiv pregătirea viitoarelor experimente de la laserul ELI-NP aflat în prezent în construcție.
Cele trei laboratoare permit atragerea și derularea de proiecte de cercetare variate: fie proiecte naționale câștigate în competițiile recente (PED, PCE, STAR, ELI-RO, PCCDI), fie parteneriate și proiecte bilaterale cu institute și universități din străinătate : ISSP-BAS Bulgaria, Universitarea din Rostock, Germania, LENS-Florența, Italia, Universitatea din Belgrad, etc. O colaborare importantă o reprezintă proiectul actual finanțat de Agenția Spațială Europeană - ESA, ce are ca scop generarea și caracterizarea fasciculelor de particule accelerate, protoni și electroni, cu laser.Pe lângă proiectele de cercetare, activitatea de la CETAL vizează și contractele de servicii de cercetare oferite entităților economice. În această categorie intră testele și optimizările de procese tehnologice, mergând până la posibile contracte de transfer tehnologic.
Laboratoarele sunt accesibile institutelor/IMM-urilor/operatorilor economici atât din țară, cât și din străinătate.

Aplicații și tehnologii pentru uzul industriilor majore
Care sunt aplicațiile care au devenit funcționale pentru cele mai importante industrii vizate de proiectele desfășurate în cadrul CETAL? Ce tehnologii avansate au fost create sau sunt avute in vedere?
Aflăm că domeniile de interes științific din cadrul CETAL sunt în concordanță cu strategia de dezvoltare națională cu aplicabilitate în special în industria automobilelor, aerospațială, militară și medicală. Se pot astfel enumera:
• Procesările 2D și 3D speciale a diverselor materiale metalice la scală macroscopică cu fascicul laser. Printre beneficiarii recenți: COMOTI, INCAS, Videli, Optoelectronica-2001, Universitatea din Brașov, ZoomSoft S.R.L;
• Dispozitive miniaturizate microfluidice la scară microscopică pentru teste celulare avansate la nivel uni-celular pentru clinici medicale (Clinica de Dermatologie Oncologică și Alergologie din cadrul Universității de Medicină și Farmacie Carol Davila din București, sau companii private precum Sanimed S.A.);
• Caracterizări și buletine de analize morfologice, compoziționale, teste de biocompatibilitate ale unor implanturi dentare (cooperare cu Dentix Millennium S.R.L.).
• Dezvoltarea de tehnologii și echipamente cu laser pentru fabricarea și testarea de acumulatori pentru automobilele electrice (Prime Motors SRL).
• Simularea radiațiilor ionizante din spațiu cosmic pentru testarea componentelor optice și electronice (contract ESA - Agenția Spațială Europeană);
• Structuri de dimensiuni micrometrice pentru ținte laser folosite în experimentele de accelerare de particule cu laser de mare putere. Astfel de ținte vor fi testate la CETAL și vor fi utilizate la ELI-NP;
• Fabricare aditivă de piese 3D metalice. Sunt în desfășurare mai multe proiecte care au ca scop dezvoltarea de structuri 3D din aliaje pe bază de titan, fie ca material biocompatibil pentru proteze, fie pentru componente speciale din industria aeronautică;
• Tehnici de fabricare a circuitelor fotonice integrate pentru criptografie cuantică. CETAL este în acest moment partener într-un proiect de tip PCCDI și are ca misiune dezvoltarea de chip-uri fotonice cu aplicație în domeniul tehnologiilor cuantice.
„Pe lângă dezvoltarea și optimizarea proceselor tehnologice cu laser, aici se pot construi echipamente cu laser. Experiența dobândită în ultimii 10 ani în proiecte de cercetare a permis formarea unei echipe capabilă să propună soluții și să integreze hardware și software dedicat și adaptat aplicațiilor și profilului beneficiarilor din industrie”, completează șeful CETAL.
CETAL are totodată ca obiectiv să fie un furnizor de tehnologii laser nu doar avansate, dar și sigure pentru lucrătorii și utilizatorii finali ai dispozitivelor cu laser. CETAL are ca țintă să devină centru național autorizat de formare și certificare a viitorilor responsabili cu siguranța laser, totodată compensând o deficiență la nivel național în privința aplicării reglementărilor pentru siguranța laser. „La CETAL am implementat o bază de date online (http://cetal.inflpr.ro/laser_safety) în care medicii oftalmologi din România, utilizatorii de laseri, părinții, să poată înregistra incidentele provocate de utilizarea laserilor și unde se pot informa asupra riscurilor, regulilor elementare de utilizare în siguranță a dispozitivelor cu laser. Astfel, CETAL va juca un rol important în monitorizarea la nivel național a incidentelor privind utilizarea laserilor și poate oferi autorităților informațiile necesare implementării corecte a reglementărilor privind siguranța și securitatea muncii cu laser”, afirmă dr. fiz. Marian Zamfirescu.

Un bilanț promițător
Dupa 3 ani de activitate, se poate afirma că la nivelul CETAL există o serie de acumulări și rezultate notabile.
În ceea ce privește resursele umane, în etapa post-implantare, principalul câștig după 3 ani de activitate îl reprezintă creșterea semnificativă a personalului, de la 20 de persoane în ianuarie 2015, la 35 în ianuarie 2018. Acest salt a avut un impact rapid asupra indicatorilor de performanță: un număr considerabil mai mare de proiecte de cercetare propuse, respectiv proiecte câștigate, o creștere a numărului de publicații, dar și o ușoară creștere a veniturilor provenite din contracte de servicii de cercetare oferite entităților economice.
Pe parte de buget, sursele de finanțare ale CETAL din proiecte de cercetare câștigate prin competiții și din contractele de servicii către mediul privat sunt de la un an la altul mai importante ca valoare totală, în condițiile în care centrul a atins o masă critică de personal CD eligibil să propună proiecte de cercetare. Tipurile de proiecte coordonate de membrii CETAL în ultimul an sunt: 5 proiecte ELI-RO, 3 proiecte STAR, 6 proiecte PED, 1 proiect PCE, 1 proiect sectorial, 1 contract economic de peste 50 de mii euro, mai multe contracte economice de valori mai puțin însemnate ca valoare în lei, dar importante pentru atragerea partenerilor industriali către domeniile tehnologiilor de vârf. Suma totală a tuturor proiectelor și contractelor pentru anul 2017 este de peste 4,6 mil. lei, la care se adaugă proiectul Nucleu în valoare de 4,1 mil. lei. Practic, veniturile totale ale centrului s-au dublat în 2017 față de anii precedenți.
La nivel de rezultate directe ale cercetărilor, pentru cei trei ani de activitate se pot evidenția o serie de obiecte și produse: dispozitive microfluidice produse în sticle fotosensibile, s-au realizat primele structuri printate 3D din pulberi metalice, ținte 3D conice în fotopolimeri pentru experimente de accelerare, s-au obținut primele fascicule de particule accelerate, electroni și protoni cu energii cu aproximativ 10 MeV. Rezultate științifice sunt diseminate anual în mai bine de 20 de publicații cu un factor ISI cumulat de aproximativ 40 și în medie la aproximativ 50 de conferințe internaționale.