Superconductores en lugar de cobre para el futuro acelerador circular del CERN

El Futuro Colisionador Circular(FCC), con un anillo de 100 km de circunferencia, continuará la investigación que se lleva a cabo actualmente en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en la búsqueda de la nueva física. Un equipo con participación del ICMAB-CSIC trabaja en el revestimiento con superconductores del interior de este gran anillo. Los superconductores superan en un factor de 40 el rendimiento del cobre, lo que mejoraría la eficiencia del FCC y proporcionaría un gran ahorro energético.

 

Representación de los anillos del LHC y FCC./ CSIC-ICMABEl 4 de julio de 2012 los científicos del CERN anunciaron el descubrimiento del bosón de Higgs basado en las colisiones detectadas en los detectores ATLAS y CMS en el gran colisionador de hadrones (LHC). El bosón de Higgs es responsable del origen de la masa de las partículas subatómicas, y es un componente esencial del Modelo Estándar, uno de los marcos teóricos más exitosos de la física. Gracias a este descubrimiento, el 10 de diciembre de 2013 F. Englert y P. Higgs recibieron el Premio Nobel de Física por su predicción teórica en 1964.

El LHC ha demostrado ser fundamental para el avance de nuestro conocimiento de la materia y del Modelo Estándar. Sin embargo, la energía de colisión de los protones de 13 TeV que produce no puede explorar cuestiones clave sobre el Universo de gran relevancia actual, como la materia oscura y la energía oscura (juntas forman el 95 % del Universo), la supersimetría, el origen de las masas de neutrinos, o la existencia de dimensiones adicionales. Se necesitan colisiones de energía más altas.

Con este fin, el estudio del futuro colisionador circular (FCC) explora las opciones para una próxima generación de colisionadores de hadrones, que debería suceder al LHC, de 27 km, al final de su vida productiva. El objetivo del FCC es conseguir los 100 TeV de energía de colisión protón-protón en el anillo de 100 km de circunferencia que estará situado cerca de las instalaciones del CERN.

¿Por qué superconductores?

Se necesitan imanes superconductores enfriados a temperaturas muy bajas (1,9 K), que generan un campo magnético muy potente de 16 T (1.600 veces más potente que los imanes de cocina), para dirigir el haz de protones dentro del FCC. Los protones acelerados que circulan por el túnel FCC pierden energía en forma de radiación de sincrotrón (28 W/m/haz), que podría calentar los imanes si no estuvieran debidamente protegidos. Una pantalla de acero inoxidable protege a los imanes de esta radiación, permitiendo así una mejor eficiencia criogénica y un mejor consumo de energía.

Otra consecuencia de las partículas aceleradas es la formación de corrientes de imagen en la pantalla protectora. Estas corrientes de imagen producen campos eléctricos que podrían desestabilizar el haz de protones e impedir las colisiones fructíferas tan deseadas. Para evitar este fenómeno, la pantalla de 27 km en el LHC se mantiene entre 5 y 20 K, y está cubierta con una capa de cobre. A esta baja temperatura, el cobre tiene una resistencia muy baja, minimizando así los campos eléctricos creados por las corrientes de imagen inducidas por los protones acelerados.

Sin embargo, no es viable ni económicamente posible mantener el FCC a estas bajas temperaturas: el FCC es mucho más largo (100 km en lugar de 27 km), y la intensidad de la radiación sincrotrón generada por las partículas es 100 veces más potente. Por lo tanto, se necesita mucha más energía para mantener las bajas temperaturas y, eventualmente, un costo energético y económico inasequible.

El rango de temperatura en el que el FCC debe trabajar es de entre 40 K y 60 K, y en este rango de temperatura, la resistencia superficial del cobre puede no ser lo suficientemente baja como para garantizar un funcionamiento estable del FCC. ¿Qué material podría utilizarse en este rango de temperaturas, con una baja resistencia (alta conductividad) y que podría utilizarse para revestir fácilmente la pantalla protectora del FCC?

Científicos del grupo Superconducting Materials and Large Scale Nanostructures (SUMAN) del Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona (ICMAB-CSIC) han propuesto una solución a este reto: recubrir la pantalla protectora con un superconductor de alta temperatura en lugar de cobre. Los superconductores de alta temperatura del tipo REBa2Cu3O7-x (donde RE es un metal de las tierras raras, como Y (itrio) o Gd (gadolinio)), se producen como materiales flexibles en cintas de cientos de kilómetros de longitud y podrían ser candidatos ideales. Los científicos del grupo SUMAN tienen una larga trayectoria con su fabricación y estudio.

Científicos dentro de un consorcio formado por el ICMAB, el ALBA, el IFAE y la UPC han demostrado que los superconductores de alta temperatura son capaces de superar la resistencia superficial del cobre en un factor de 40 o más en las condiciones que se encuentran en el FCC. "Además, ya estamos desarrollando una tecnología que permitirá revestir el interior del anillo de 100 km del FCC con estos superconductores en lugar de cobre", explica Joffre Gutiérrez, investigador del ICMAB que participa en el estudio.

El Estudio FCC del CERN, es una colaboración internacional de más de 150 universidades, institutos de investigación y socios industriales de todo el mundo para explorar conceptos para el colisionador de partículas más potente y para desarrollar tecnologías avanzadas.  En el estudio se analizarán diferentes formatos de los colisionadores circulares, las nuevas instalaciones de detección de partículas, la infraestructura asociada, las estimaciones de costes, las aplicaciones a escala mundial, así como las estructuras de gobernanza internacional adecuadas.

Artículo e referencia:

Teresa Puig, Patrick Krkotic, Artur Romanov, Joan O'Callaghan, Danilo Andrea Zanin, Holger Neupert, Pedro Costa Pinto, Pierre Demolon, Ângelo Rafael Granadeiro Costa, Mauro Taborelli, Francis Perez, Montse Pont, Joffre Gutierrez y Sergio Calatroni. Coated Conductor technology for the beamscreen chamber of future high energy circular colliders. Superconductor Science and Technology. Accepted Manuscript online 1 July 2019. DOI: 10.1088/1361-6668/ab2e66 

 

Noticia via: Anna May / Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona (ICMAB-CSIC)

·       estos materiales superan en un factor de 40 el rendimiento del cobre, lo que mejoraría enormemente la eficiencia del FCC y proporcionaría un gran ahorro energético.

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