Forscher bauen Prototyp eines supraleitenden Kryomoduls

Geduld und Komplexität sind die Schlüsselwörter der wissenschaftlichen Grundlagenforschung. Die Arbeit im Office of Science des Department of Energy (DOE) ist zeitaufwändig.

Ein typisches Beispiel: Technisches Personal des Fermi National Accelerator Laboratory des DOE baute einen Prototyp eines supraleitenden Kryomoduls für das Projekt Proton Improvement Plan II (PIP-II).

Vier dieser 39 Fuß langen Schiffe mit einem Gewicht von jeweils erstaunlichen 27.500 Pfund werden dafür verantwortlich sein, Wasserstoffionen auf mehr als 80 Prozent der Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen. Letztendlich werden die Kryomodule den letzten Abschnitt des neuen Linearbeschleunigers (Linac) bilden, der den Beschleunigerkomplex von Fermilab antreiben wird.

Physiker beschleunigen Teilchen gerne auf immer höhere Energien. Je höher die Energie, desto feiner und differenzierter kann eine Teilchensonde sein. Diese erhöhte Präzision ermöglicht es Wissenschaftlern, kleinste Strukturen zu untersuchen.

Immer schnellere Beschleuniger haben viele Vorteile. Um nur einige zu nennen: Krebszellen zerstören; Aufdecken der Struktur von Proteinen und Viren; Impfstoffe und neue Medikamente entwickeln; und unser Wissen über die Ursprünge unseres Universums erweitern.

Beim PIP-II-Linearbeschleuniger wird jeder supraleitende Kryomodultank in seinem Herzen eine Kette von Geräten enthalten, die „Hohlräume“ genannt werden. Diese Hohlräume sehen aus wie übergroße, aneinander gestapelte Getränkedosen. Sie bestehen aus reinem Niob, einem supraleitenden Material. Strom fließt ohne Energieverlust durch das supraleitende Material, wenn das Niob deutlich unter der durchschnittlichen Temperatur des Weltraums gehalten wird.

Beachten Sie den Ausdruck „Kryo“ im Wort Kryomodul, der „Kälte einbeziehen oder erzeugen“ bedeutet. Besonders extreme Kälte. Um den supraleitenden Zustand zu erreichen, müssen die Hohlräume auf extrem niedrigen Temperaturen um den absoluten Nullpunkt gehalten werden.

Um die Kühlung zu gewährleisten, füllt das Team das Innere des Behälters mit flüssigem Helium. Um die Hohlräume vor zu heißen Außentemperaturen zu schützen, verfügt das Schiff über viele Isolationsschichten.

Sobald der Prototyp funktionsfähig ist, werden vier der Module zusammengebaut, um den letzten Abschnitt des neuen Linearbeschleunigers von Fermilab zu bilden.

So wird die Reise verlaufen. Die supraleitenden Kryomodule werden Strahlen von Wasserstoffanionen antreiben, bei denen es sich um Wasserstoffatome handelt, die aus einem Proton und zwei Elektronen bestehen, statt wie üblich aus einem Proton und einem Elektron.

Die Strahlen werden eine Endenergie von 800 Millionen Elektronenvolt (MeV) erreichen, bevor sie den Beschleuniger verlassen.

Von dort wird der Strahl zu den modernisierten Booster- und Main Injector-Beschleunigern übertragen. Dort wird es mehr Energie gewinnen, bevor es in Neutrinos umgewandelt wird.

Die Maschine wird diese Neutrinos dann auf eine 1.300 Kilometer (800 Meilen) lange Reise über die Erde zum Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) schicken, das sich in der Long Baseline Neutrino Facility in Lead, Dakota, befindet.

Das Team stellt nun sicher, dass sich alle Vorbereitungen gelohnt haben, während die Module im Cryomodule Test Center von Fermilab getestet werden. Dies wird zeigen, wie gut die Module nach praktischen Lieferungen zwischen Fermilab und Großbritannien funktionieren.

Die endgültigen Module werden von PIP-II-Partnern auf der ganzen Welt gebaut. Drei davon werden im Daresbury Laboratory, das vom britischen Science and Technology Facilities Council for Research and Innovation betrieben wird, zusammengebaut und an Fermilab verschifft.

Der vierte wird im Fermilab aus Komponenten zusammengebaut, die vom Raja Rammana Center for Advanced Technology des indischen Ministeriums für Atomenergie geliefert werden.

Internationale Partner aus Indien, Italien, Frankreich, Polen und dem Vereinigten Königreich tragen zu vielen Aspekten des PIP-II-Projekts bei.

All diese Arbeiten werden im Rahmen des PIP-II-Projekts durchgeführt, einer entscheidenden Modernisierung des Beschleunigerkomplexes von Fermilab. PIP-II wird DUNE-Wissenschaftlern Neutrinos zur Untersuchung bereitstellen.

Parallel dazu werden leistungsstarke Protonenstrahlen, die vom PIP-II-Beschleuniger geliefert werden, myonenbasierte Experimente ermöglichen, mit beispielloser Präzision nach neuen Teilchen und Kräften zu suchen. Das vielfältige Physikstudium treibt noch Jahrzehnte neue Entdeckungen voran.