Wie zukünftige Teilchenbeschleuniger grüner sein könnten

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Wie zukünftige Teilchenbeschleuniger grüner sein könnten

Am 5. Juli, dem Ende einer dreijährigen Pause, wird der Large Hadron Collider des CERN mit der Datensammlung beginnen. Es wird hochenergetische Partikelstrahlen in entgegengesetzte Richtungen um eine 16-Meilen-lange Schleife herum schleudern, um einen explosiven Absturz zu erzeugen. Wissenschaftler werden das Gemetzel mit hochpräzisen Detektoren beobachten und die Trümmer nach Partikeln durchsuchen, die das Innenleben unseres Universums enthüllen.

Aber um all dies zu tun, benötigt der LHC Strom: genug, um eine kleine Stadt mit Strom zu versorgen. Es ist leicht für jemanden außerhalb des CERN, sich zu fragen, warum eine physikalische Einrichtung all diese Energie benötigt. Teilchenphysiker wissen, dass diese Anforderungen extrem sind, und viele versuchen, zukünftige Beschleuniger effizienter zu machen.

„Ich denke, es gibt ein wachsendes Bewusstsein in der Gesellschaft, dass Beschleunigeranlagen den Stromverbrauch wo immer möglich reduzieren müssen“, sagt er Thomas RöserPhysiker, ehemals am Brookhaven National Laboratory in New York.

Wissenschaftler entwerfen bereits Pläne für den LHC vorgeschlagener Nachfolger– der sogenannte Future Circular Collider (FCC), mit einem Umfang, der fast viermal größer ist als der des LHC, und der buchstäblich den größten Teil der Stadt Genf umkreist. Dabei untersuchen sie einige, manchmal unerwartete Quellen des Energieverbrauchs und der Treibhausgasemissionen und wie sie reduziert werden können.

Netzwerkkosten

Der LHC benötigt trotz seiner Größe und seines Energiebedarfs nicht sehr viel Kohlenstoff, um zu funktionieren. Einerseits bezieht CERN seinen Strom aus dem französischen Netz, dessen Portfolio an Kernkraftwerken es zu einem der größten macht am wenigsten kohlenstoffabhängig in der Welt. Wenn der LHC an einem Ort mit einem mit fossilen Brennstoffen geladenen Netz installiert würde, wäre seine Klimabilanz ganz anders.

„Wir haben großes Glück … wenn es in den Vereinigten Staaten wäre, wäre es schrecklich“, sagt er Véronique BoisvertTeilchenphysiker am Royal Holloway, University of London.

Aber die Klimaauswirkungen des Colliders haben sich weit über einen kleinen Sektor der Genfer Vororte hinaus ausgebreitet. Einrichtungen wie CERN erzeugen Unmengen an Rohdaten. Um diese Daten zu verarbeiten und zu analysieren, stützt sich die Teilchenphysik auf a globales Netzwerk Supercomputer, Computercluster und Server, die notorisch stromhungrig sind. Mindestens 22 befinden sich tatsächlich in den Vereinigten Staaten.

Wissenschaftler planen möglicherweise den Aufbau dieser Netzwerke oder den Einsatz von Computern an Orten mit kohlenstoffarmer Elektrizität: Kalifornien zum Beispiel statt Florida.

„Vielleicht sollten wir auch über die CO2-Emission pro CPU-Zyklus nachdenken und dies als Faktor in Ihre Technologieplanung einbeziehen, genauso wie Sie es in Bezug auf Kosten oder Energieeffizienz tun“, sagt Bloom.

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Obwohl der Beschleuniger selbst nur einen kleinen Teil des CO2-Fußabdrucks der Teilchenphysik ausmacht, sollten die Forscher nach Ansicht von Bosivert planen, den Stromverbrauch der Anlage zu reduzieren. Bis FCC in den 2040er und 2050er Jahren online geht, bedeutet die Dekarbonisierung, dass es mit weit mehr Autos und Geräten als heute um Ressourcen im Stromnetz konkurrieren muss. Sie hält es für klug, für diese Zeit im Voraus zu planen.

Das Ziel, den Energieverbrauch zu senken, sei dasselbe, sagt Bosivert. „Man muss immer noch die Leistung minimieren, aber aus einem anderen Grund.“

Energie zurückgewinnen

Im Namen von Effizienz und Energieeinsparung untersuchen Wissenschaftler einige Technologien, die dabei helfen können, „grüne Beschleuniger“ herzustellen.

Im Jahr 2019 haben Forscher der Cornell University und des Brookhaven National Lab enthüllt ein Prototyp-Beschleuniger namens Cornell-Brookhaven ERL Test Accelerator (CBETA). Bemerkenswerterweise gewinnt die CBETA bei den Demonstrationen die gesamte Energie zurück, die die Wissenschaftler in sie gesteckt haben.

„Wir haben die vorhandene Technologie bis zu einem gewissen Grad übernommen, sie verbessert und ihre Anwendung erweitert“, sagt sie Georg HoffstätterPhysiker an der Cornell University.

CBETA schickte hochenergetische Elektronen durch eine rennstreckenähnliche Schleife, die in ein Lagerhaus passen könnte. Mit jeder „Umdrehung“ gewinnen die Elektronen Energie. Nach vier Umdrehungen könnte die Maschine die Elektronen verlangsamen und ihre Energie zur Wiederverwendung speichern. CBETA war das erste Mal, dass Physiker nach so vielen vollen Umdrehungen Energie zurückgewonnen haben.

Es ist keine neue Technologie, aber da Teilchenphysiker immer mehr daran interessiert sind, Energie zu sparen, ist eine ähnliche Technologie in den Plänen der FCC. „Es gibt Optionen für [FCC] die Energy Harvesting nutzen“, sagt Hoffstätter. Nicht zerkleinerte Partikel können zurückgewonnen werden.

CBETA spart auch Energie durch die Verwendung verschiedener Magnete. Die meisten Teilchenbeschleuniger verwenden Elektromagnete, um ihre Teilchen entlang des Lichtbogens zu führen. Elektromagnete beziehen ihre Magnetkraft aus der sie umgebenden Elektrizität; Schalten Sie den Schalter aus und das Magnetfeld verschwindet. Durch den Ersatz von Elektromagneten durch Permanentmagnete, die keinen Strom benötigen, könnte CBETA den Energieverbrauch senken.

„Diese Technologien sind auf dem Weg“, sagt Hoffstater. „Sie werden erkannt und in neue Energiesparprojekte integriert. »

Einige dieser Projekte sind näher am Abschluss als die FCC. Designer eines neuen Colliders in Brookhaven, der Elektronen und Ionen zusammenschmettert, mit Energierückgewinnung verfolgt. Im Jefferson Lab, einer Beschleunigeranlage in Newport News, Virginia, bauen Wissenschaftler einen viel größeren Beschleuniger, der Permanentmagnete verwendet.

Nicht nur so findet die Energie eines Teilchenbeschleunigers neues Leben. Ein Großteil der Energie des Colliders wird in Wärme umgewandelt. Diese Wärme lässt sich gut nutzen: CERN hat experimentiert Rohrwärme zu Häusern in den Städten rund um den LHC.

Gas Übeltäter

Aber die Fokussierung auf die CO2-Emissionen dieser Anlagen verfehlt einen Teil des Bildes – tatsächlich das meiste. „Es ist nicht die Hauptemissionsquelle“, sagt Bosivert. „Die dominierende Quelle sind die Gase, die wir in unseren Teilchendetektoren verwenden.“

Um ein Gerät auf idealen Temperaturen für die Erkennung von Partikeln zu halten, müssen hochempfindliche Geräte mit Gasen gekühlt werden, ähnlich den Gasen, die in einigen Kühlschränken verwendet werden. Diese Gase müssen nicht brennbar sein und hohen Strahlungspegeln widerstehen, auch wenn sie gekühlte Temperaturen beibehalten.

Die Gase der Wahl fallen in die Kategorien Fluorkohlenwasserstoffe (HFCs) und Perfluorkohlenwasserstoffe (PFCs). Einige von ihnen sind Treibhausgase, viel stärker als Kohlendioxid. VS2H2F2CERNs gebräuchlichstes HFC fängt Wärme 1.300-mal effektiver ein.

Der LHC versucht bereits, diese Gase einzufangen, wiederzuverwenden und ihre Freisetzung in die Atmosphäre zu verhindern. Doch sein Prozess ist nicht perfekt. „Viele von ihnen befinden sich in Teilen dieser Erfahrungen, die wirklich schwer zu erreichen sind“, sagt Bloom. „Dort können Lecks entstehen. Sie werden sehr schwer zu reparieren sein.

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Aus Sicht der Logistiker stellt der Einsatz von HFKW und PFC ein Versorgungsproblem dar. Einige Gerichtsbarkeiten, die Europäische Union, bereiten sich darauf vor, sie zu verbieten. Bosivert sagt, dies habe zu wilden Preisschwankungen geführt.

„Wenn Sie zukünftige Detektoren entwerfen, können Sie diese Gase nicht mehr verwenden“, sagt Bosivert. „All diese Forschung und Entwicklung – ‚Okay, welche Gase werden wir verwenden?‘ – muss im Grunde jetzt erledigt werden.“

Es gibt Alternativen. Einer davon ist Kohlendioxid selbst. CERN hat einige Detektoren des LHC nachgerüstet, um mit dieser Verbindung zu kühlen. Es ist nicht perfekt, aber es ist eine Verbesserung.

Dies ist die Art von Wahl, die viele Wissenschaftler in jeder Diskussion über die Planung eines zukünftigen Beschleunigers sehen möchten.

„So wie monetäre Kosten bei der Planung zukünftiger Einrichtungen, zukünftiger Experimente, zukünftiger Physikprogramme berücksichtigt werden“, sagt Bloom, „können wir auf die gleiche Weise an Klimakosten denken.“