modello predecessore LHC

Mentre il mondo è alle prese con crisi, problemi climatici e intelligenza artificiale, il Fraunhofer IML, come parte di un puzzle più ampio, continua a lavorare al concetto logistico che contribuirà alla realizzazione del progetto multimiliardario " Future Circular Collider " presso il CERN di Ginevra. Un concetto di veicolo modulare e un modello di simulazione garantiscono la solidità della pianificazione.

A giugno si è tenuta a San Francisco una conferenza generale conclusiva con partecipanti provenienti da tutto il mondo. A partire dal 2025, verrà condotto uno studio di fattibilità per determinare se il progetto possa essere implementato nella sua forma attuale. Ciò comporterà, naturalmente, anche una questione finanziaria, attualmente stimata in circa 15 miliardi di euro.

Sala di controllo. Foto: CERN/Drew Bird

Presso il Fraunhofer IML, Gerd Kuhlmann e Benedikt O. Müller stanno lavorando al concetto logistico e alla catena di fornitura per le migliaia di componenti, magneti acceleratori ed elementi criogenici che saranno installati nella rotatoria sotterranea. Ora che il concetto per la consegna esterna degli oltre 5.400 magneti, la maggior parte dei quali su strada, è stato finalizzato, l'attenzione si concentra sull'installazione salvaspazio all'interno della galleria. Le sue dimensioni sono state definite in anticipo con un diametro di 5,5 metri (a titolo di confronto, la galleria stradale del San Gottardo ha un diametro di 5,9 metri). Ciò richiede anche la considerazione di sistemi, componenti e misure di sicurezza ridondanti in condizioni di spazio estremamente ristretto.

Grafica: CERN/IML

Per gli esperti di logistica, sempre alla ricerca della "quantità giusta al momento giusto nel posto giusto", un "acceleratore di particelle" suona certamente intrigante. Tuttavia, questa gigantesca catapulta di elettroni non riguarda la messa a punto di merci, articoli e forniture, bensì la ricerca di fisica fondamentale. Al Consiglio Europeo per la Ricerca Nucleare (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) di Ginevra, magneti del peso di tonnellate accelerano minuscole particelle elementari a velocità prossime a quelle della luce in un "Large Hadron Collider" su un percorso circolare lungo attualmente 27 km, che si snoda 100 m al di sotto di Ginevra e delle pendici del Giura. Lì, si scontrano frontalmente. I detriti di questo scenario di collisione vengono poi immessi in rilevatori delle dimensioni di una casa per tracciare la catastrofe definitiva – un "Big Bang" in miniatura, per così dire – che ha segnato l'inizio dell'universo.

Grafica: Kuhlmann/IML

In seguito alla scoperta del bosone di Higgs (che è stato un componente cruciale per spiegare la "massa" e i "buchi neri"), un nuovo acceleratore, il "Future Circular Collider", dovrebbe entrare in funzione nel 2045. Questo acceleratore, con il suo percorso orbitale lungo 91,2 km collegato alla superficie tramite otto pozzi verticali, raggiungerà una profondità media di 200 m ed esplorerà nuove dimensioni nel regno delle particelle elementari. Raggiungendo una forza di 100 TeV (teraelettronvolt), potrebbe consentire la rilevazione di ulteriori particelle elementari che, secondo la teoria, devono esistere per spiegare l'universo.

L'installazione della nuova catapulta di particelle è progettata per essere priva di detriti. Un veicolo modulare gestirà il trasporto di personale e materiali nel sottosuolo, dotato di un sistema di navigazione autonomo che utilizza uno scanner LiDAR per monitorare i contorni del tunnel su tratti ricorrenti e garantire sufficienti distanze di sicurezza, mentre lettori di codici a barre trasmettono costantemente rapporti di posizione e garantiscono la guida a terra.

Poiché il carico altamente sensibile dei supermagneti reagisce a qualsiasi tipo di vibrazione, gli spazi di frenata devono essere rispettati meticolosamente e gli assi e i carrelli della struttura del rimorchio devono essere smorzati dalle vibrazioni per assorbire anche le più piccole vibrazioni. La tecnologia delle gru convenzionali non ha spazio in galleria. Dispositivi di sollevamento compatti in loco, sotto forma di tavole elevatrici, devono posizionare i gruppi lunghi 13,4 m e pesanti 60 t con precisione millimetrica in uno spazio molto ristretto.

Secondo Kuhlmann, finora non si sono verificati ritardi dovuti alla pandemia di coronavirus o ad eventi internazionali. Un vantaggio della situazione attuale è che non tutto è stato ancora definito nei minimi dettagli. Una simulazione dei processi di consegna dei materiali, sviluppata presso la sede di Benedikt O. Müller, consente un calcolo più rapido delle modifiche ai singoli parametri, al dimensionamento e all'impatto previsto sul trasporto.

Discussione alla FCC Week / Foto: Drew Bird

Benedikt Müller ha affermato che qualsiasi accenno alla comparsa di "buchi neri" alla luce delle enormi energie che saranno rilasciate negli esperimenti di collisione programmati per i prossimi decenni è stato finora solo uno scherzo. Kuhlmann ha aggiunto: "Ci stiamo concentrando sui nostri compiti logistici".

Secondo Müller, la logistica gioca un ruolo fondamentale come "fattore abilitante" nella costruzione del nuovo acceleratore di particelle. "Quando si ha bisogno di una macchina lunga quasi 100 km e composta da migliaia di magneti, non si può fare a meno della logistica. Ma anche se non siamo noi a fornire i risultati concreti di questa ricerca fisica fondamentale, siamo noi a dare un contributo significativo al suo successo".

Klaus Koch

Video e interviste con gli scienziati del Fraunhofer Gerd Kuhlmann e Benedikt Oliver Müller sullo status quo del progetto Future Circular Collider 

Cronologia preliminare

• 2025Completamento dello studio di fattibilità
• 2027–2028Fase decisionale degli stati membri del CERN e dei partner internazionali in merito all'attuazione.
• 2030: Inizio dei lavori di costruzione
• Anni 2040 : messa in servizio dei primi componenti dell'impianto (FCC-ee / Electron-Positron Collider)
• Anni 2070 : Operazione completa e tempo di funzionamento previsto di circa 25 anni

Domande

La scoperta del bosone di Higgs ha sollevato nuove domande, come il ruolo svolto dal bosone di Higgs durante il Big Bang e la sua influenza sull'evoluzione dell'universo. Si prevede che il bosone di Higgs contribuisca a rispondere a domande aperte che il Modello Standard della fisica non può affrontare, comprese quelle riguardanti la cosiddetta "materia oscura" e il possibile eccesso di antimateria. Alcuni scenari indicano l'esistenza di nuove particelle più pesanti che vanno oltre il raggio d'azione del Large Hadron Collider (LHC) utilizzato finora e richiedono l'uso di energie più elevate. Altri indicano l'esistenza di particelle più leggere che interagiscono solo debolmente con le particelle del Modello Standard e la cui rilevazione richiede l'elaborazione di enormi quantità di dati e segnali estremamente deboli.

Domanda di energia

Si prevede che il consumo di elettricità della FCC oscillerà tra 1 e 1,8 TWh/anno nella fase iniziale. Tuttavia, grazie ai continui sforzi di ricerca e sviluppo, dovrebbe essere inferiore del 30-40% rispetto a quanto sarebbe possibile con le tecnologie attuali. Il team di studio della FCC sta inoltre collaborando con le autorità regionali per individuare modalità con cui parte di questa energia possa essere riutilizzata per il riscaldamento delle industrie locali e delle infrastrutture pubbliche.

www.iml.fraunhofer.de

www.home.cern