Når partiklene i CERN-eksperimentene kolliderer, avgis store mengde energi. Den fanges og kjøles ned. Systemene for dette benytter syntetiske stoffer. CoolCERN-prosjektet og NTNU skal utvikle kjølesystem som bruker et naturlig stoff, nemlig CO2. Illfoto: Shutterstock/NTB scanpix

NTNU kjøler ned CERN

Når partikler kolliderer i akseleratoren i CERN, utløses enorme mengder energi. Den må absorberes, så alt holdes kjølig nok. I dag benyttes syntetiske stoffer til nedkjøling. En mer klimavennlig løsning er på trappene.

Under jorden ved CERN i Genève, Sveits er den 27 kilometer lange ringformede akseleratoren The Large Hadron Collider (LHC). Hovedformålet med LHC og detektorene er å forstå det tidlige universet og deler som mangler av det som kalles standardmodellen for partikkelfysikk.

Nå skal et nytt fireårig prosjekt kalt CoolCERN gjøre partikkelakseleratoren mer klimavennlig. Det skjer ved å endre kjølemetoden for ATLAS og CMS, to av LHCs fire detektorer.

Som frossen fisk

ATLAS og CMS er blitt brukt i mange ulike fysikkeksperimenter, blant annet jakten på Higgs-bosonet og studiet av partikler som kan utgjøre mørk materie.

Detektorene inneholder silisiumceller som må nedkjøles for å minimere stråleskadene fra partiklene som sendes gjennom dem.

Besøkssenteret The Globe of Science and Innovation på CERN. Foto: Maria Lillemoen

Et typisk eksempel er at sensorene må holdes på en temperatur under -40°C, som betyr at kjølerørene må holdes ved -50°C eller lavere.

– Du kan sammenligne disse svært følsomme sensorene med frossen fisk, sier professor Armin Hafner ved Institutt for energi- og prosessteknikk ved NTNU.

– De må holdes kjølig kontinuerlig, og de må aldri bli varme. Hafner leder CoolCERN-prosjektet ved NTNU.

Detektorene ligner kanskje frossen fisk når det kommer til behovene, men de koster atskillig mer, rundt én milliard kroner i alt. Det gjør det særlig viktig at kjølesystemet er svært stabilt og til å stole på, sånn at detektorene kan operere kontinuerlig og uten avbrytelser.

Miljøvennlig kjøling og internasjonale krav

De fleste av kjølesystemene ved CERN inneholder syntetiske kjølemedier, stoffer med høyt potensial for global oppvarming. Disse skal snart fases ut – for å oppfylle nye internasjonale reguleringskrav.

CoolCERN-prosjektet utvikler et kjølesystem som bruker et naturlig stoff, nemlig CO2. CO2 bryter ikke ned ozonlaget, har svært lite potensial for global oppvarming i denne konteksten, er ikke giftig og kan ikke ta fyr.

– NTNU ble kontaktet av CERN på grunn av omdømme vårt, kunnskapene våre og ekspertisen vi har innen kjøling med CO2. NTNU og SINTEF har forsket på kompresjonskjøling med CO2 i over 30 år, sier Hafner.

Alt dette betyr at CO2-baserte systemer gir detektorene kjøling som er i overensstemmelse med de europeiske planene for fluorbaserte drivhusgasser, med Paris-avtalens reduksjon av drivhusgasser og Kigali-avtalens om å redusere drivhusgasser med HFC.

Kjøling 100 meter ned i bakken

Når partiklene i CERN-eksperimentene kolliderer, må detektorene absorbere all energien som utløses, sånn at alt holdes kjølig nok.

Kjølekapasiteten som kreves for dette er enorm. ATLAS-detektoren har kjølekapasitet tilsvarende kjøleskapene i 1500 hus. CMS-detektoren det dobbelte.

NTNU-forskerne Ángel Álvarez Pardiñas, Stefanie Blust and Armin Hafner vil bidra til å gjøre CERN mer mijløvennlig. Foto: NTNU/Maren Agdestein

Som om ikke det var nok, må altså temperaturen holdes ved rundt -50°C, som er tett på temperaturen der CO2 går over til gassform (-56,6°C).

Dette ville være utfordrende nok å gjøre på bakken. Men detektorene er slett ikke der:

– En annen utfordring vi støter på er høydeforskjellen, sier Ángel Álvarez Pardiñas, en postdoktor ved NTNU som jobber på prosjektet.

– Kjølesystemene er på bakken, men vi kjøler ned detektorer som er 100 meter under bakken.

Som et første steg for å prøve ut ideene, blir et kjølesystem i mindre skala installert og testet. Dette testanlegget kan sammenlignes med kjøleskapene i 250 hus.

Etterpå vil forskerne studere et system som tar hensyn til høydeforskjellen – i full skala. Resultatene av disse testene blir avgjørende når de skal designe systemene som skal brukes for ATLAS og CMS.

Potensial for norsk næringsliv og industri

Om alt går etter planen, blir norsk teknologi del av CERNs nye kjølesystem. Planen er at et norsk selskap skal bygge kjølesystemene. Deretter transporteres de til CERN for å bli installert der.

Prosjektleder for CoolCERN er Armin Hafner. Postdoktor Ángel Álvarez Pardiñas og doktorgradsstipendiat Stefanie Blust er også involvert. Du kan lese mer om prosjektet her.