LHC i rachunek za światło.

Czy zastanawialiście się kiedykolwiek ile energii elektrycznej zużywa Wielki Zderzacz Hadronów (ang. LHC - Large Hadron Collider)? Co jakiś czas w mediach pojawiają się wiadomości na temat LHC. Najczęściej dotyczą one kolejnej jego awarii albo nowego rekordu energii z jaką zostały zderzone cząsteczki. Ostatnim hitem jest oczywiście odkrycie tajemniczej cząsteczki zwanej bozonem Higgs'a, która to została przewidziana lata temu przez fizyków, jako składowa Modelu Standardowego i dla odkrycia której między innymi, zbudowano akcelerator. Ale zacznijmy od początku. Nie będę tu wnikał w kolejne etapy budowy LHC, nie będę też podawać dziesiątek liczb i przytaczać danych technicznych bo nie o tym jest ten artykuł, ponadto nie bardzo mnie takie dane interesują. Skupię się na ogólnym przeznaczeniu LHC oraz idei, która stałą za jego wybudowaniem.

Wielki Zderzacz Hadronów został zbudowany jako następca akceleratora LEP. Wykorzystano podziemny tunel, pozostałość po LEP o długości 27 kilometrów. Znajduje się on na średniej głębokości 100 metrów pod powierzchnią ziemi. Dlaczego zdecydowano się na budowę urządzenia pod ziemią? Ponieważ w ostatecznym rozrachunku, wykopanie tunelu okazało się tańsze, niż pozyskiwanie działek na powierzchni. Ponadto o wiele łatwiej jest zapewnić bezpieczeństwo zwartej konstrukcji o mocno ograniczonej możliwości dostępu. Co więcej, skorupa ziemska daje doskonałą ochronę przed naturalnym promieniowaniem oraz degradacyjny wpływ na krajobraz jest minimalny. Jest to najdroższe i najbardziej skomplikowane urządzenie, jakie dotychczas zostało zbudowane przez człowieka. Czemu ma służyć ten akcelerator i co wyróżnia go pośród innych tego typu urządzeń? Otóż Model standardowy przewiduje istnienie wielu cząsteczek, które do chwili obecnej pozostają w nieodkryte. Między innymi był to bozon Higgs'a, który został odkryty w LHC w 2012 roku. W naprawdę dużym skrócie, jest to cząstka elementarna nadająca materii masę. Kolejnym zadaniem jakie postawiono przez LHC, jest potwierdzenie hipotezy supersymetrii, która zakłada, że każda cząsteczka posiada swój znacznie cięższy odpowiednik. Jeśli hipoteza jest słuszna, w akceleratorze powinny zostać wykryte najlżejsze z odpowiedników znanych nam obecnie cząsteczek. Kolejnymi, jeszcze ambitniejszymi zadaniami jakie postawiono LHC jest wykrycie ciemnej materii i antymaterii. Według obecnych badań, nasz Wszechświat składa się obecnie tylko z niecałych 4% materii barionowej (tej z której jest zrobiony między innymi monitor na który teraz patrzysz oraz Ty sam), w 23% z ciemnej materii oraz pozostałe 73% przypadające na ciemna energię. Jedna z popularnych nadal teorii mówi, że ciemna materia składa się z neutralnych, super symetrycznych cząsteczek, które nadal pozostają niewykryte. Pozostaje jeszcze antymateria. W momencie Wielkiego Wybuchu, materia i antymateria powstała w takiej samej ilości, lecz obecnie cały obserwowalny Wszechświat składa się tylko z materii. Dlaczego tak jest? W odpowiedzi na to pytanie ma pomóc oczywiście LHC. Jak więc widzicie, są to bardzo ambitne zadania, które mają dać odpowiedzi na pytania elementarne skąd pochodzimy i dokąd zmierzamy. Co powoduje, że LHC ma szanse największe ze wszystkich akceleratorów? W urządzeniach tego typu chodzi energie z jakimi są zderzane ze sobą cząsteczki. W pierwotnych założeniach miało to być 7 TeV (terra elektronowoltów) dla każdej wiązki protonów. Czy to dużo? Do niedawna najwięcej ze wszystkich akceleratorów. Przeciętny komar przelatujący nam przed nosem porusza się właśnie z taka energią. Sztuczka polega na tym, aby taką energię upchnąć w wiązce protonów, miliardy razy mniejszej od komara. Tłumacząc na chłopski rozum - im szybciej jadą naprzeciw sobie dwa pociągi, z tym większą energią się zderzą, robiąc tym większy bajzel na torach a o to właśnie chodzi w LHC. Dlaczego zderzamy ze sobą protony z prędkością światła? Żeby symulować warunki w pierwszych ułamkach sekund po Wielkim Wybuchu. W czasie takich zderzeń, powstają cząsteczki których żywot trwa tysięczne ułamki sekund, a wykrycie których, poszerza nasze horyzonty poznania nas samych i otaczającego Wszechświata. Cały paradoks tego naukowego przedsięwzięcia polega na tym, że aby wykryć najmniejsze cząsteczki, które znikają zaraz po tym jak powstaną, trzeba budować ogromne akceleratory wyposażone w gigantyczne detektory, zużywające ogromne ilości energii elektrycznej. Coś fantastycznego!

Po tym jak mam nadzieję, dość zwięzłym wstępie, możemy przejść do tematu zasadniczego czyli rachunku za elektryczność. Tak, tak. Cała ta piekielna machina, która teoretycznie może wytworzyć czarną dziurę, potrzebuje prądu elektrycznego. Dużo prądu. Naprawdę duuuuuużo prądu. Miesięczne średnie zapotrzebowanie na elektryczność wynosiło 120 MW (megawatów). To tyle ile zużywają gospodarstwa domowe w całym kantonie (województwie) Genewa pod którym przebiega akcelerator. Roczne  zużycie (dla roku 2009) zamykało się w około 800 000 MWh (Megawatogodziny) co dawało średni koszt €19  milionów euro! Pisałem w czasie przeszłym, albowiem od momentu odkrycia bozonu Higgs'a, zakończono pierwszy etap badań. Po tym przełomowym wydarzeniu, jakim niewątpliwie było odkrycie bozonu, akcelerator został wyłączony i poddany modernizacji. Jej celem było oczywiście zwiększenie energii zderzeń cząsteczek. Od chwili ponownego uruchomienia LHC w kwietniu tego roku, strumienie protonów mogą zderzać się ze sobą z niemal zdwojoną energią, czyli 13 TeV. Tak, teraz z siłą dwóch lecących komarów. Nie znalazłem żadnych nowych szacunków odnośnie opłat eksploatacyjnych ale można podejrzewać, że będzie to niemal dwukrotność dotychczasowej opłaty. Tak wielka energia jest niezbędna do rozpędzenia dwóch wiązek protonów pędzących naprzeciw sobie z prędkością światła, ku nieuchronnemu i wyczekiwanemu zderzeniu. Aby rozpędzić wiązkę protonów do niemal 300 tys km/s, potrzebne są nadprzewodzące magnesy. Aby mogły one sprawnie generować pole magnetyczne, potrzebują wydajnego chłodzenia. Na koniec pozostają jeszcze ogromne detektory, które też trzeba zasilić. Drugi etap badań potrwa trzy lata a na odkrycia czekają największe tajemnice współczesnej nauki. Czy się uda? Zobaczymy. Bez względu na przyszłe wyniki, rachunki za prąd będzie trzeba zapłacić!

Z prądem elektrycznym jest jak z wodą - im większa rura tym więcej wody może przepłynąć. Tak więc biorąc pod uwagę ogromne zużycie energii elektrycznej, potrzebujemy ogromnych przewodów, opasłych kabli mogących przesłać te tysiące amperów energii elektrycznej. LHC jako najbardziej zaawansowane urządzenie na Ziemi, korzysta z wielu oryginalnych technologii opracowanych specjalnie na jego potrzeby. Zwykły przewód wraz ze wzrostem przesyłanej ilości energii elektrycznej zaczyna się rozgrzewać, co powoduje straty energii. Natomiast opracowany stop niobowo - tytanowy nie jest może szczytem technicznych możliwości ale pozwala na ogromne oszczędności związane z dostarczaniem prądu. Wystarczy go schłodzić do temperatury 1.9 stopnia Kelvina aby wszedł w stan nadprzewodnictwa, który to pozbawia przewód oporów. Oczywiście coś kosztem czegoś. Aby schłodzić magnesy i przewody do temperatury zbliżonej zeru absolutnemu, potrzebna jest wydajna instalacja chłodnicza, która oczywiście potrzebuje do działania energii elektrycznej.

Na koniec pozostaje pytanie, skąd brać prąd w takich ilościach? Początkowo, kiedy CERN rozpoczynał swoją działalność, wystarczyło się podpiąć do najbliższej podstacji (transformatora). Wraz z biegiem lat, kiedy placówka się rozrastała, apetyt na elektryczność rósł w szybkim tempie. W dzisiejszych czasach, głównym dostawcą elektryczności jest francuski koncern, natomiast Szwajcarzy trzymają rękę na pulsie i razie awarii mogą dorzucić brakujące megawaty.

Dla osób nie będących fizykami i chcących wziąć aktywny udział w tropieniu egzotycznej materii, polecam http://www.higgshunters.org/

Więcej na http://cds.cern.ch/record/1165534/files/CERN-Brochure-2009-003-Eng.pdf Dowiedzieć możecie się z lektury między innymi czy ziemski Księżyc ma wpływ na rozpędzone protony oraz ile kilometrów pokonuje wiązka cząsteczek w czasie eksperymentu.

 Więcej na www.cosmicbulletin.wordpress.com