Não muito longe do Lago de Genebra, o Laboratório Europeu de Física de Partículas (CERN) opera o maior acelerador de partículas do mundo: o Large Hadron Collider (LHC). Os investigadores estão a utilizar a aceleração de partículas para investigar questões físicas fundamentais e tentar determinar a composição da matéria escura, por exemplo. Já provaram a existência do bóson de Higgs, a "partícula de deus", que dá a todas as outras partículas elementares a sua massa.
Detetores de grandes dimensões
O acelerador de partículas LHC é um túnel circular gigante com cerca de 27 quilómetros de comprimento e quatro pontos de medição, incluindo dois detetores de utilização geral: ATLAS e CMS. Os impressionantes cilindros, que pesam tanto como a Torre Eiffel, repousam dentro de enormes cavernas. Para os investigadores, esta é uma janela para os segredos do universo.
O detetor ATLAS foi desenvolvido para fazer novas descobertas de partículas resultantes de colisões frontais de protões. A investigação contribui para estudos sobre dimensões extra, unificação de forças e matéria escura.
O detetor CMS foi desenvolvido para estudar partículas produzidas em colisões de protões-protões e iões pesados. Os investigadores querem encontrar respostas a perguntas fundamentais como: "Por que é que o mundo é como é?".", "Por que razão algumas partículas pesam mais do que outras?" e "O que é que faz a escuridão no universo?"
Para explorar os segredos ocultos, o ATLAS e o CMS utilizam medições de precisão para registar o caminho, o impulso e a energia das partículas libertadas sem erros. Os detetores estão cobertos por módulos de sensores de silício (mais de cem metros quadrados cada) que registam as colisões de partículas, que geram mais de um bilião de interações por segundo.
Imagem esquerda: Os detetores ATLAS e CMS no laboratório do CERN na Suíça utilizam medições de precisão para registar o percurso, o impulso e a energia das partículas libertadas. O detetor CMS estuda partículas produzidas em colisões de protões-protões e iões pesados. Crédito de imagem: CERN
Imagem direita: O detetor ATLAS é utilizado para fazer descobertas de partículas resultantes de colisões frontais de prótons. A investigação contribui para estudos sobre dimensões extra, unificação de forças e matéria escura. Crédito de imagem: CERN
Resfriamento
Para garantir que as medições são precisas e que os sensores de silício não são danificados pela alta dose de radiação, são necessárias temperaturas até -55 °C. Além disso, o sistema eletrónico e os sensores geram muito calor que tem de ser dissipado.
Durante um longo encerramento planeado em 2026 a 2029, o acelerador LHC e os seus experimentos serão submetidos a uma atualização importante. Uma parte é a substituição completa dos detetores de seguimento de silicone.
"A ATLAS e o CMS utilizarão um sistema de refrigeração de CO2 bifásico para todos os seus rastreadores de silício e detetores de calorímetro de tampa final. O sistema permite uma elevada transferência de calor com uma viscosidade baixa e um intervalo de temperaturas que é bem adequado para operar o detetor", afirma o Engenheiro de Refrigeração e Coordenador de Refrigeração CMS Jérôme Daguin do CERN.
O sistema de refrigeração será baseado em unidades modulares paralelas que circulam CO2 através de evaporadores especiais. Cada módulo de refrigeração estará equipado com uma bomba de diafragma especial para fazer circular o CO2 líquido.
Para introduzir o meio de refrigeração de forma precisa e segura, o CERN está novamente a trabalhar com os especialistas em bombas da LEWA, uma marca do Grupo Atlas Copco. As bombas doseadoras de diafragma LEWA de vários tamanhos serão utilizadas para alimentar o CO2 líquido utilizado no circuito de refrigeração de forma precisa e constante.
Ultrapassar os limites
As bombas doseadoras de diafragma foram testadas especificamente para os requisitos do CERN. Nem o CERN nem a LEWA queriam deixar nada ao acaso quando se tratava de garantir que o transporte do sofisticado meio de refrigeração das cavernas de serviço para os detetores fosse feito sem erros. Para a versão remota adaptada foram construídos vários protótipos, que funcionaram como bancos de ensaio em condições reais. Foram primeiro testados com água, depois limpos com etanol e depois testados em funcionamento contínuo com CO2.
"Foi importante implementar uma solução robusta e duradoura. A lista de requisitos era bastante ambiciosa e exigia algumas adaptações muito especiais", explica Wieland Wolff, diretor de vendas regional da LEWA.
Por exemplo, as vedações existentes da versão básica foram primeiro validadas e depois substituídas por versões mais adequadas. Para evitar que os alarmes de aviso de CO2 fossem acionados acidentalmente após a instalação no local, as unidades hermeticamente fechadas também foram revestidas com o fluoropolímero PTFE em pontos críticos. Além disso, a unidade de acionamento e a cabeça de acionamento foram modificadas para fornecer pontos de medição adequados para os instrumentos do CERN.
Além disso, a temperatura transmitida na unidade de acionamento não pode descer abaixo de -20 °C. Para isso, os engenheiros da LEWA adicionaram uma linha alternada na qual o óleo hidráulico pode aquecer, impedindo que o CO2 de -55 °C atinja a unidade de acionamento.
O processo do acelerador de partículas LHC baseia-se em temperaturas frias, possibilitadas por bombas de medição de diafragma da LEWA, uma marca do Grupo Atlas Copco.
Benefícios mútuos
O extenso trabalho de preparação foi recompensado e a LEWA começou agora a fornecer o primeiro lote de um total de 18 bombas ecoflow LDG.
As bombas são instaladas afastadas dos detetores nas cavernas de serviço, fora da área de radiação e campo magnético encontrada nas cavernas experimentais. Isto permite que sejam controlados a partir da sala de controlo através do ajuste elétrico do curso e de um inversor de frequência, eliminando a necessidade de os funcionários estarem no local.
Quando o encerramento atual estiver concluído, as bombas instaladas irão arrefecer os componentes eletrónicos e os sensores de silício através de uma rede complexa de linhas de transferência, coletores de distribuição e pequenos tubos de refrigeração.
Poderá encontrar mais informações em: www.lewa.com e www.atlas.cern
