El CERN comparte el conocimiento de los tubos de luz

La detección directa de ondas gravitacionales en 2015 abrió una nueva ventana al universo, lo que permitió a los investigadores estudiar el cosmos fusionando datos de múltiples fuentes. Actualmente hay cuatro telescopios de ondas gravitacionales (GWT) en funcionamiento: LIGO en dos sitios en los EE. UU., Virgo en Italia, KAGRA en Japón y GEO600 en Alemania. Se están llevando a cabo conversaciones para establecer un sitio adicional en la India. La detección de ondas gravitacionales se basa en la interferometría láser de Michelson con cavidades de Fabry-Perot, que revela la expansión y contracción del espacio al nivel de las diezmilésimas del tamaño de un núcleo atómico, es decir, 10-19 m. A pesar de la tensión extremadamente baja que debe detectarse, se mide un promedio de una onda gravitacional por semana de medición mediante el estudio y la minimización de todas las posibles fuentes de ruido, incluidas las vibraciones sísmicas y la dispersión de gases residuales. Este último se reduce colocando el interferómetro en una tubería donde se genera un vacío ultraalto. En el caso de Virgo, el vacío dentro de los dos brazos perpendiculares de 3 km de longitud del interferómetro es inferior a 10-9 mbar.

Si bien las instalaciones actuales están siendo operadas y mejoradas, la comunidad de ondas gravitacionales también se está enfocando en una nueva generación de GWT que brindará una sensibilidad aún mejor. Esto se lograría con brazos de interferómetro más largos, junto con una reducción drástica del ruido que podría requerir el enfriamiento criogénico de los espejos. Los dos estudios principales son el Telescopio Einstein (ET) en Europa y el Cosmic Explorer (CE) en los EE. UU. La longitud total de las vasijas de vacío previstas para los interferómetros ET y CE es de 120 km y 160 km, respectivamente, con un diámetro de tubo de 1 a 1,2 m. Las presiones operativas requeridas son típicas de las necesarias para los aceleradores modernos (es decir, en la región de 10-10 mbar para el hidrógeno e incluso más bajas para otras especies de gases). Por lo tanto, la próxima generación de GWT representaría los sistemas de ultra alto vacío más grandes jamás construidos.

La próxima generación de telescopios de ondas gravitacionales representaría los sistemas de ultra alto vacío más grandes jamás construidos.

Producir estas presiones no es difícil, ya que los sistemas de vacío actuales de los interferómetros GWT tienen un grado de vacío comparable. En cambio, el desafío es el costo. De hecho, si se adoptaran las soluciones de la generación anterior, el sistema de tuberías de vacío ascendería a la mitad del costo estimado de CE y no muy lejos de un tercio de ET, que está dominado por la ingeniería civil subterránea. Reducir el costo de los sistemas de vacío requiere el desarrollo de diferentes enfoques técnicos con respecto a las instalaciones de generaciones anteriores. El desarrollo de tecnologías más baratas también es un tema clave para los futuros aceleradores y ya es visible una sinergia en términos de métodos de fabricación, tratamientos de superficie y procedimientos de instalación.

En un marco oficial entre el CERN y los institutos principales del estudio ET (Nikhef en los Países Bajos e INFN en Italia), los grupos TE-VSC y EN-MME del CERN están compartiendo su experiencia en vacío, materiales, fabricación y tratamientos superficiales con la tecnología gravitacional. comunidad de olas. La actividad comenzó en septiembre de 2022 y se espera que concluya a fines de 2025 con un informe de diseño técnico y una prueba completa de un sector piloto de recipientes de vacío. Durante el taller "Beampipes for Gravitational Wave Telescopes 2023", celebrado en el CERN del 27 al 29 de marzo, 85 especialistas de diferentes comunidades que abarcan tecnologías de aceleradores y ondas gravitacionales y de empresas que se enfocan en la producción de acero, fabricación de tuberías y equipos de vacío se reunieron para discutir el último avance. El evento siguió a uno similar organizado por LIGO Livingston en 2019, que dio importantes indicaciones para los temas de investigación.

Trazando un curso En una serie de contribuciones introductorias, se presentaron los elementos teóricos básicos sobre los requisitos de vacío y el estado de los estudios de CE y ET, destacando las iniciativas en tecnologías de vacío y materiales realizadas en Europa y EE. UU. La descripción detallada de los sistemas de vacío GWT actuales proporcionó un punto de partida para las presentaciones de los desarrollos en curso. Para realizar un análisis y una reducción de costos efectivos, se debe tener en cuenta todo el proceso, incluida la producción y el tratamiento de materias primas, la fabricación, el tratamiento de superficies, la logística, la instalación y la puesta en marcha en el túnel. Además, las interfaces con las áreas experimentales y otros servicios como ingeniería civil, distribución eléctrica y ventilación son esenciales para evaluar el impacto de las opciones tecnológicas para las tuberías de vacío.

Se discutieron los criterios de selección de los materiales estructurales de la tubería, siendo actualmente el acero el material de elección. Los aceros ferríticos contribuirían a una importante reducción de costes en comparación con el acero austenítico, que actualmente se utiliza en los aceleradores, ya que no contienen níquel. Además, gracias a su estructura cristalográfica cúbica centrada en el cuerpo, los aceros ferríticos tienen un contenido mucho más bajo de hidrógeno residual, el primer enemigo para lograr el ultra alto vacío, y por lo tanto no requieren costosos tratamientos de desgasificación de estado sólido. Los aceros ferríticos más baratos son los "aceros suaves", que son materiales comunes en los gasoductos después del tratamiento para combatir la corrosión. Los aceros inoxidables ferríticos, que contienen más del 12 % en peso de cromo disuelto, también se están estudiando para aplicaciones GWT. Si bien los primeros resultados son alentadores, deben tenerse en cuenta las propiedades magnéticas de estos materiales para evitar la transmisión anómala de señales electromagnéticas y de las vibraciones mecánicas inducidas.

En el taller de marzo se discutieron cuatro soluciones en cuanto al diseño y fabricación de las tuberías y su sistema de soporte. La línea de base es un tubo de 3 a 4 mm de espesor similar a los que están operativos en Virgo y LIGO, con algunas modificaciones para hacer frente al nuevo entorno del túnel y requisitos de sensibilidad más estrictos. Otra opción es un recipiente corrugado de 1 a 1,5 mm de espesor que no requiere refuerzo y fuelle de expansión. Además, se discutieron diseños basados ​​en tuberías de doble pared, siendo la pared interna delgada y fácil de calentar y la pared externa desempeñando el papel estructural. Se generaría un vacío de aislamiento entre las dos paredes sin los requisitos de limpieza y presión impuestos al vacío del rayo láser. Las fuerzas que actúan sobre la pared interna durante los transitorios de presión se minimizarían abriendo las válvulas de movimiento axial, que aún no están completamente diseñadas. Finalmente, también se consideró una solución de gasoducto, que sería producido por una pared de acero dulce de media pulgada de espesor. La principal ventaja de esta solución es su costo relativamente bajo, ya que es un enfoque estándar utilizado en la industria del petróleo y el gas. Sin embargo, las necesidades de protección contra la corrosión y vacío ultraalto requerirían un tratamiento superficial en ambos lados de las paredes de la tubería. Estos tratamientos están actualmente bajo consideración. Para todos los tipos de diseño, la integración de deflectores ópticos (que brindan una reducción intermitente de la apertura de la tubería para bloquear los fotones dispersos) es un tema de intenso estudio, con opciones de posición, material, tratamiento de superficie e instalación. La transferencia de vibraciones de la estructura del túnel al deflector también es otro tema candente.

La fabricación de los tubos directamente a partir de bobinas metálicas y su tratamiento superficial se puede realizar en las instalaciones del proveedor o directamente en el lugar de instalación. El primer enfoque reduciría el costo de la infraestructura y la mano de obra, mientras que el segundo reduciría los costos de transporte y proporcionaría un grado adicional de libertad a la logística global ya que se minimizaría el área de almacenamiento. El estudio de la producción in-situ fue llevado a su límite en un estudio conceptual de un proceso que a partir de una bobina podría entregar tuberías del largo deseado directamente en las áreas subterráneas: La bobina metálica llega al túnel; luego se instala en una máquina dedicada que desenrolla la bobina y suelda la lámina metálica para formar la tubería a cualquier longitud.

Estos temas se desarrollarán más en los próximos meses y los resultados se incorporarán a un informe de diseño técnico completo. Este informe incluirá una optimización de costes detallada y será validado en un sector piloto en el CERN. A falta de poco menos de dos años y medio del proyecto, su éxito exigirá un gran esfuerzo y una decidida motivación. El optimismo infundido por el entusiasmo y el enfoque colaborativo demostrado por todos los participantes en el taller es, por lo tanto, muy alentador.