Lançado em março de 2024, o projeto iSAS
(Innovate for Sustainable Accelerating Systems) tem como objetivo demonstrar novas tecnologias voltadas para uma drástica redução do impacto ambiental dos aceleradores de partículas.
Ao coordenar esforços em nível europeu e compartilhando recursos, os cientistas buscam obter ganhos rápidos agindo em três alavancas-chave: os sistemas criogênicos, a potência de radiofrequência e a recuperação da energia do feixe. Este projeto é coordenado pelo CNRS-IN2P3 no IJCLab (Achille Stocchi) com um responsável científico na Universidade de Bruxelas VUB (Jorgen D'Hondt).
Visão em corte do criomódulo do projeto PERLE.
Cerca de 40 mil - esse é o número de aceleradores de partículas atualmente em operação no mundo, nos domínios da pesquisa e da indústria. Essas máquinas, notoriamente sedentas por energia, podem atingir, em um futuro próximo, um consumo global equivalente a cerca de 1% da demanda anual de eletricidade de um país como a Alemanha.
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Nesse contexto e dado os desafios climáticos, ao trabalhar em aceleradores de partículas, devemos abordar o tema de seu consumo elétrico", explica Maud Baylac do LPSC, coordenadora das relações externas do projeto
. "Agora, mais do que nunca, é necessário reunir todos os atores que desenvolvem sistemas mais sustentáveis e eficientes, para coordenar esses esforços e harmonizá-los. Esse é o objetivo do projeto iSAS".
Para isso, o projeto dispõe de uma dotação de 5 milhões de euros atribuída pela Europa e distribuída entre oito parceiros europeus, especialistas na área como CERN, IN2P3 com IJCLab e LPSC, e CEA, entre outros.
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Não estamos começando do zero", destaca Guillaume Olry do IJCLab, responsável por um grupo de trabalho. "
Há décadas, surgiram inúmeras iniciativas nos laboratórios para otimizar alguns subsistemas. No entanto, até o momento, os diferentes grupos abordavam questões individuais, específicas à sua própria máquina, sem necessariamente coordenar suas pesquisas. O projeto iSAS tem a ambição de unir os cientistas na Europa, oferecendo-lhes um ambiente privilegiado para compartilhar, por meio de grupos de trabalho dedicados, seu conhecimento único sobre o assunto, a fim de acelerar o progresso nesse tema".
A equipe do projeto no IJCLab
Os esforços do projeto iSAS estão concentrados no criomódulo, que é o bloco elementar para a aceleração de partículas. No criomódulo, as cavidades de radiofrequência (RF) supercondutoras aceleram as partículas por meio de um campo elétrico alternado de alta frequência, extremamente intenso, estabelecido pela injeção de potência de radiofrequência. Um sistema criogênico é necessário para resfriar e manter as cavidades a 2 kelvins (-271°C) para garantir suas propriedades supercondutoras. O projeto iSAS visa otimizar tanto a eficiência da injeção de potência de RF quanto minimizar as perdas térmicas.
Na prática, o iSAS visa impulsionar o desenvolvimento de subsistemas inovadores, cuja integração em um "criomódulo do futuro" poderia reduzir drasticamente o consumo de eletricidade de aceleradores em todo o mundo. O projeto aposta, primeiramente, em uma regulação muito precisa e rápida da frequência do campo elétrico, baseada em um sistema inovador que permite reduzir significativamente o consumo de energia nas cavidades.
Paralelamente, busca-se melhorar a injeção de potência nas cavidades, otimizando os acopladores de potência e desenvolvendo acopladores "HOM" para melhor extrair os modos de RF parasitas de ordens superiores que podem aumentar o consumo criogênico. "
Limitar as perdas criogênicas dentro do criomódulo é uma prioridade absoluta para o nosso projeto. Vale destacar que um único watt depositado por transmissão energética nas partes resfriadas a 2 kelvins se traduz em um consumo real de 800 watts retirados da tomada! Desnecessário dizer que, com um fator desses, cada watt economizado conta", enfatiza Guillaume Olry.
No que diz respeito à criogenia, um dos principais desafios é construir cavidades que operem a temperaturas mais altas, visando reduzir o consumo elétrico necessário para o resfriamento do hélio líquido que banha as cavidades de RF. "
Um dos objetivos do iSAS é conseguir operar cavidades de RF a 4 kelvins (-269°C), em vez dos atuais 2 kelvins", explica Guillaume Olry
. "Para alcançar isso, a chave é depositar camadas finas nas superfícies das cavidades de RF. No entanto, ainda há desafios técnicos a serem superados na realização e operação desses depósitos, cuja execução é complicada pela forma intrincada das cavidades".
Mas isso não é tudo: o projeto iSAS também pretende implementar uma tecnologia destinada a recuperar a energia do feixe, ao desacelerá-lo nas mesmas cavidades de RF usadas para sua aceleração: essa potência, assim restituída às cavidades de RF, permite acelerar o próximo feixe, reduzindo consideravelmente o consumo global do sistema.
Um dispositivo como esse poderia ser aplicado a máquinas cujos feixes de partículas são pouco alterados após a interação, como os colisionadores de partículas ou as fontes de luz. Isso requer o desenvolvimento de um criomódulo adaptado, um esforço em que está engajado o projeto internacional PERLE que está sendo construído no IJCLab (Orsay), um demonstrador de ERL visando um regime multi-voltas com alta potência de feixe.
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Não somos os primeiros a explorar essas tecnologias. Nosso objetivo aqui é empurrar os limites do estado da arte em termos de recuperação de energia do feixe, para validar essa tecnologia em projetos futuros de alta potência" (vários MW), especifica Walid Kaabi, responsável pelo polo de aceleradores do IJCLab.
A otimização de todas essas tecnologias ao longo dos próximos quatro anos no âmbito do iSAS deverá resultar na concepção de protótipos com menor consumo de energia, cujas características poderão influenciar tanto a atualização de aceleradores existentes como a construção de futuros aceleradores.
Para Maud Baylac, a razão de ser do projeto é clara: "
Com o iSAS, estamos trabalhando para reduzir o impacto ambiental dos aceleradores. Estamos reunindo comunidades para alcançar metas concretas e contribuir para o projeto dos aceleradores do futuro em direção à transição ecológica".
Fonte: CNRS IN2P3