Physiker fragen: Können wir einen Teilchenbeschleuniger energetisch effizienter machen?

3. November 2023

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von Nathan Collins, SLAC National Accelerator Laboratory

Seit der Identifizierung des Higgs-Bosons im Jahr 2012 besteht unter Physikern ein wachsendes Interesse an der Konstruktion neuer Teilchenbeschleuniger, um die Besonderheiten dieses schwer fassbaren Teilchens zu erforschen und tiefer in die Elementarteilchenphysik auf immer höheren Energieskalen einzutauchen.

Allerdings erfordert ein solches Unterfangen einen erheblichen Energieaufwand. Ein Standard-Collider benötigt Hunderte von Megawatt, was Dutzenden Millionen moderner Glühbirnen entspricht, um zu funktionieren. Der Bau dieser Geräte erfordert außerdem einen erheblichen Energieaufwand, was zu einem Anstieg der Kohlendioxid- und anderen Treibhausgasemissionen beiträgt.

Jetzt untersuchen Wissenschaftler des SLAC National Accelerator Laboratory des Energieministeriums und der Stanford University, wie der Cool Copper Collider (C3)-Vorschlag energieeffizienter gestaltet werden kann.

Bei jedem Beschleunigerdesign wurden drei Hauptüberlegungen berücksichtigt: sein Betrieb, seine Konstruktion und sein Standort. Letzterer Faktor hat einen erheblichen indirekten Einfluss auf den gesamten CO2-Fußabdruck des Projekts.

Caterina Vernieri, Assistenzprofessorin am SLAC und Mitautorin des neuen Artikels, der in PRX Energy veröffentlicht wurde, verkündete, dass bei der Prüfung umfangreicher wissenschaftlicher Projekte neben den finanziellen Kosten auch die Auswirkungen auf die Umwelt kritisch berücksichtigt werden müssen.

Ein anderer Co-Autor, Emilio Nanni, Assistenzprofessor am SLAC, äußerte die gleichen Ansichten. Er argumentiert, dass sie als Forscher darauf abzielen, andere durch Entdeckungen und Aktionen zu inspirieren und dabei die wissenschaftlichen Auswirkungen und die Auswirkungen auf die breitere Gemeinschaft zu berücksichtigen. Letztlich trägt eine nachhaltigere Gestaltung der Anlagen dazu bei, beide Ziele zu erreichen.

C3 ist nur einer von vielen potenziellen Beschleunigern der nächsten Generation. Obwohl jedes Design einem von zwei Grunddesigns folgt, entweder Linearbeschleunigern wie C3 oder Synchrotronen wie dem Future Circular Collider, hat jedes seine Vor- und Nachteile.

Bezeichnenderweise können Synchrotrons Teilchenstrahlen rezirkulieren und so die Datenerfassung über mehrere Schleifen hinweg ermöglichen. Allerdings gibt es Einschränkungen aufgrund des Energieverlusts beim Biegen geladener Teilchen in einen Kreis, was zu einem erhöhten Energiebedarf führt. Bei Linearbeschleunigern hingegen besteht dieses Energieverlustproblem nicht, sodass sie höhere Energieniveaus und möglicherweise neue Messungen erreichen können, obwohl sie den Strahl nur einmal nutzen.

C3 bietet eine mögliche Lösung für die Längen-Energie-Einschränkungen der meisten Linearbeschleuniger. Diese Lösung umfasst ein neues Design, das genauer angepasste elektromagnetische Felder umfasst, ein neues kryogenes Kühlsystem und ein kleineres, kosteneffizienteres Design, das die ultimativen Grenzen der Teilchenphysik ausloten kann.

Der vorgeschlagene C3-Collider würde trotz seiner vielen Vorteile immer noch erhebliche Ressourcen für den Bau und Betrieb erfordern. Daher haben die Wissenschaftler den CO2-Fußabdruck des Projekts sorgfältig geprüft, angefangen beim Betrieb des Beschleunigers selbst.

In der Vergangenheit legten Physiker beim Betrieb von Beschleunigern keinen Wert auf Energieeffizienz. Das Team von SLAC und Stanford entdeckte, dass kleinste Anpassungen, wie etwa die Modifikation der Teilchenstrahlstruktur und die Verbesserung des Betriebs von Klystrons, zu erheblichen Verbesserungen führen könnten. Mit diesen Modifikationen könnte der Strombedarf von C3 möglicherweise von 150 Megawatt auf etwa 77 Megawatt sinken, was im Grunde eine Reduzierung des Strombedarfs um die Hälfte bedeutet. „Ich wäre mit 50 % davon zufrieden“, sagte Vernieri.

Andererseits stellte das Team fest, dass der Bau selbst wahrscheinlich für den Großteil des CO2-Fußabdrucks von C3 verantwortlich ist – insbesondere, da die Welt auf die Nutzung erneuerbarer Energien umsteigt. Die Forscher gehen davon aus, dass die Verwendung verschiedener Materialien, beispielsweise unterschiedlicher Formen von Beton, sowie die Beachtung der Art und Weise, wie Materialien hergestellt und transportiert werden, dazu beitragen könnten, die Auswirkungen der globalen Erwärmung zu verringern. C3 ist auch deutlich kleiner als andere Beschleunigervorschläge – nur acht Kilometer lang – was den Gesamtmaterialverbrauch reduzieren und es den Bauherren ermöglichen würde, Standorte auszuwählen, die den Bau vereinfachen und beschleunigen könnten.

Die Forscher überlegten auch, wo sich das C3-Projekt befinden würde, da sich dies auf die Mischung aus fossilen Brennstoffen und erneuerbaren Energien auswirken könnte, die den Beschleuniger antreiben, oder möglicherweise auf den Bau einer speziellen Solarfarm, die zusammen mit einem Energiespeichersystem die Energie des Beschleunigers abdecken würde Bedürfnisse.

Schließlich untersuchte das SLAC-Stanford-Team, wie C3 im Vergleich zu anderen zukünftigen Collider-Vorschlägen abschneiden könnte und wie sich lineare und kreisförmige Collider vergleichen, wenn jeder Collider ähnliche Messungen durchführt.

Basierend auf ihrer Analyse und ähnlichen Nachhaltigkeitsstudien für andere Beschleuniger kam das Team zu dem Schluss, dass der Bau wahrscheinlich der Hauptfaktor für den CO2-Fußabdruck eines Projekts ist, dass Kreiskollider, die ähnliche physikalische Ziele erreichen können, jedoch im Allgemeinen höhere baubedingte Emissionen verursachen würden. Ebenso hätten kürzere Beschleuniger wie C3 und ein weiterer Vorschlag, der Compact Linear Collider, im Vergleich zu längeren Beschleunigern ein geringeres Treibhauspotenzial.

„Es ist ein so neues Fachgebiet“, sagte Vernieri über die Untersuchung der Nachhaltigkeit von Physikprojekten, aber ein notwendiges. „Es gibt eine ganz neue Diskussion, die zumindest die Frage nach dem CO2-Fußabdruck der Teilchenphysik aufwirft.“

Bereitgestellt vom SLAC National Accelerator Laboratory