Το CERN δημοσίευσε την πρόταση για ένα νέο επιταχυντή σωματιδίων που, αν φτιαχτεί τελικά, θα είναι μία από τις μεγαλύτερες επιστημονικές εγκαταστάσεις που κατασκευάστηκαν ποτέ: το μεγαθήριο Future Circular Collider (FCC).
Την τελευταία φορά που το CERN ανέλαβε ένα έργο μεγέθους του FCC, ήταν τη δεκαετία του 1980 και το αντικείμενο ήταν ο Μεγάλος Επιταχυντής Ηλεκτρονίων-Ποζιτρονίων (LEP) που ήταν το μεγαλύτερο κατασκευαστικό project της Ευρώπης μέχρι εκείνη την εποχή. Τον 21ο αιώνα, οι μηχανικοί μετασκεύασαν τη σήραγγα του LEP στον σημερινό Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC). Συνθλίβοντας ατομικούς πυρήνες ή υποατομικά σωματίδια με ταχύτητα κοντά στην ταχύτητα τους φωτός, οι επιταχυντές όπως ο LHC έχουν βοηθήσει δραματικά στην ώθηση των ορίων φυσικής και της τεχνολογίας.
Η κατασκευή του LHC ήταν σίγουρα ένα τεράστιο εγχείρημα, αλλά τίποτα δίπλα στις προκλήσεις που μπορεί να φέρει η οικοδόμηση του νέου κυκλικού επιταχυντή. Το βασικό που αλλάζει με τον FCC είναι ότι πρέπει να χτιστεί μια νέα τεράστια σήραγγα με νέες υποδομές σε μέρη που δε βρίσκονται στη γη του CERN. Αλλά παρά την κλίμακα και το κόστος του, το FCC θα είναι μια εξέλιξη της υπάρχουσας τεχνολογίας.
Ο σχεδιασμός
Η πρώτη επεξεργασία για το νέο επιταχυντή FCC ξεκίνησε τουλάχιστον από το 2014. Κατά τη διάρκεια της δεκαετίας από τότε, οι μηχανικοί και οι επιστήμονες μελετούσαν τις διάφορες προτάσεις, προσπαθώντας να βρουν μια κατάλληλη διαδρομή για έναν δακτύλιο που θα έχει μήκος περισσότερο από τρεις φορές το μήκος του LHC! Και τώρα, επιτέλους, έχουν την απάντηση: έναν σχεδόν τέλειο κύκλο μήκους 91 χιλιομέτρων, νότια του υπάρχοντος βρόχου του LHC, και διακοσμημένο με οκτώ άξονες πρόσβασης που συνδέουν τη σήραγγα με την επιφάνεια από πάνω. Ο νέος επιταχυντής μοιάζει πολύ με τον υπάρχον LCH όσον αφορά τη διάταξή και τον μηχανολογικό εξοπλισμό που θα χρειαστεί για το σχεδιασμό και την κατασκευή του αλλά είναι προφανώς κάτι πολύ μεγαλύτερο από τον LHC.
Πράγματι, αν εστιάσετε στα σχεδιαγράμματα του FCC, η υποδομή του δε φαίνεται πολύ διαφορετική. Η σήραγγα και τα φρεάτια πρόσβασης του δεν είναι σημαντικά μεγαλύτερα από αυτά του LHC. Οι πιο απαιτητικές τεχνικά κατασκευές θα είναι τα "σπήλαια" του επιταχυντή, εκεί δηλαδή όπου η σήραγγα ανοίγεται σε πολύ μεγαλύτερους χώρους που φιλοξενούν τους ανιχνευτές σωματιδίων. Ακόμα και αυτά όμως θα είναι συγκρίσιμα με εκείνα που φιλοξενούν τα πειράματα του LHC όπως το CMS και το ATLAS. Υπάρχουν όμως μερικές κρίσιμες και προκλητικές διαφορές. Πρώτον, η σήραγγα του FCC - κατά μέσο όρο 200 μέτρα κάτω από την επιφάνεια - θα είναι σημαντικά πιο βαθιά στο έδαφος από εκείνη του LHC. Δηλαδή, θα είναι αρκετές φορές πιο βαθιά στη Γη από τα περισσότερα υπόγεια συστήματα μετρό.
Επιπλέον, η προτεινόμενη πορεία του FCC θα οδηγήσει τους κατασκευαστές μέσα από άγνωστες γεωλογικές συνθήκες. Συγκεκριμένα, η σήραγγα θα πρέπει να διασχίσει μεγάλα υδάτινα σώματα - δηλαδή, τη λίμνη της Γενεύης και τον ποταμό Ροδανό - προκλήσεις του είδους που δεν έχει κάνει κανένας προηγούμενος επιταχυντής.
Ωστόσο, οι μηχανικοί είναι πεπεισμένοι ότι η υπάρχουσα τεχνολογία κατασκευής - οκτώ μηχανήματα διάνοιξης σηράγγων, ένα για κάθε ένα όγδοο του δακτυλίου - θα είναι αρκετή για να ολοκληρωθεί το project.
Καλωδίωση
Για να διατηρήσει τα σωματίδια σε ταχύτητα κοντά στην ταχύτητα του φωτός, η σήραγγα του FCC θα χρειαστεί κάθε είδους συσκευές υψηλής τεχνολογίας, όπως ψυχρή κρυογονική και ηλεκτρομαγνήτες υψηλής ισχύος. Και όλος αυτός ο εξοπλισμός έχει ενεργειακό κόστος. Όταν οι χειριστές τον ενεργοποιήσουν για πρώτη φορά, προβλέπεται να καταναλώσει περίπου 1,4 τεραβατώρες ηλεκτρικής ενέργειας για τον επιταχυντή λεπτονίων FCC πρώτης φάσης (FCC-ee), ο οποίος θα επιταχύνει τα ηλεκτρόνια πολύ λίγο κάτω από την ταχύτητα του φωτός.
Συγκριτικά, το σύνολο του CERN σήμερα - συμπεριλαμβανομένου του ίδιου του LHC, των άλλων επιταχυντών της εγκατάστασης, των υπολογιστών και των κέντρων δεδομένων της, της υποδομής της - χρησιμοποιεί 1,3 TWh ετησίως. Στη συνέχεια, καθώς οι επιστήμονες αναμένουν αναβαθμίσεις στη γραμμή, συμπεριλαμβανομένων των επιταχυντών λεπτονίων-αδρονίων και φωτονίων-αδρονίων επόμενης γενιάς, η κατανάλωση ενέργειας του FCC θα αυξηθεί κι άλλο από τα αρχικά 1,4 TWh.
Σήμερα, το CERN αντλεί την ηλεκτρική του ενέργεια από μια ενιαία σύνδεση 400 Kv (κιλοβόλτ) με το γαλλικό δίκτυο. Τα σχέδια προβλέπουν δύο ακόμη τέτοιες συνδέσεις: μία 400 kV και μία 225 kV. Από αυτές τις τρεις πηγές, η υποδομή του επιταχυντή θα διανέμει ισχύ στους οκτώ άξονες πρόσβασης του επιταχυντή. Από εκεί, θα διανεμηθεί στον υπόλοιπο επιταχυντή. Σε αντίθεση με τους προηγούμενους επιταχυντές, οι οποίοι γενικά προσπάθησαν να ελαχιστοποιήσουν την ποσότητα των ηλεκτρολογικών εργασιών υπόγεια, τα προκαταρκτικά σχέδια της FCC προβλέπουν ότι το μεγαλύτερο μέρος της ηλεκτρικής ενέργειας θα διανεμηθεί μέσα στα ίδια τα συστήματα σηράγγων. «Πρέπει να διανείμουμε όλη αυτή την ενέργεια μέσω υποσταθμών υπόγεια», λέει ο Burnet.
Ανεξάρτητα από το πώς κινούνται πραγματικά τα ηλεκτρόνια, προσθέτουν μεγάλη ισχύ: περίπου 350 μεγαβάτ. Ένας μακροχρόνιος στόχος των ηλεκτρολόγων μηχανικών του CERN, λέει ο Burnet, είναι η εξοικονόμηση ενέργειας. Για παράδειγμα, ένα από τα πιο ενεργοβόρα συστήματα οποιουδήποτε επιταχυντή σωματιδίων είναι το σύστημα RF, απαραίτητο για την πραγματική επιτάχυνση των σωματιδίων. Οι ηλεκτρολόγοι μηχανικοί εκτιμούν ότι βελτιώνοντας την απόδοση των κλύστρων του συστήματος RF, η FCC θα μπορούσε να εξοικονομήσει 50 MW.
Τον επόμενο χρόνο, το CERN αναμένεται να δημοσιεύσει πιο λεπτομερή σχέδια για το FCC και τότε οι χώρες μέλη του CERN -ανάμεσά τους και η Ελλάδα- θα καθορίσουν εάν θέλουν να χρηματοδοτήσουν το πρώτο στάδιο ανάπτυξης των 17 δισεκατομμυρίων δολαρίων ΗΠΑ. Αλλά ακόμη και αν το FCC πάρει το πράσινο φως, η φάση κατασκευής δε θα ξεκινήσει τουλάχιστον μέχρι το τέλος της δεκαετίας μας. Έτσι, αυτό που συμβαίνει τώρα είναι σημαντικά προκαταρκτικά βήματα. Για τους μηχανικούς, η δουλειά είναι να αρχίσουν να διερευνούν τοποθεσίες κατά μήκος της χαρτογραφημένης πορείας της FCC: δοκιμάζοντας όλες τις πτυχές των σχεδίων και προσδιορίζοντας εάν κάποιο από αυτά χρειάζεται αλλαγή. Κι αυτό, πάλι, είναι μόνο η αρχή.