Teilchenbeschleuniger sind Geräte, die elektromagnetische Felder verwenden, um Teilchen zu beschleunigen und sie zusammen oder gegen ein bestimmtes Ziel kollidieren zu lassen. Diese Geräte werden von Physikern häufig verwendet, um Teilchen, die Kräfte, die sie antreiben, und die Wechselwirkungen zwischen ihnen zu untersuchen.
Die größten und fortschrittlichsten Teilchenbeschleuniger der Welt verbrauchen riesige Mengen an Energie. In einer Veröffentlichung in Naturphysikhaben Forscher der Technischen Universität Darmstadt kürzlich eine neue Messung an ihrem Teilchenbeschleuniger vorgestellt, die eine hohe Strahlleistung bei deutlich geringerem Energieverbrauch beibehalten kann.
„Teilchenbeschleuniger gibt es in kompakter Bauweise, wie sie für Röntgengeräte verwendet werden, und als Großanlagen, die für die Grundlagenforschung genutzt werden“, sagte Manuel Dutine, einer der Forscher, der die Studie durchführte, gegenüber Phys.org . „Gerade letztere verbrauchen enorm viel Energie. Da stellt sich die Frage, ob der Mehrwert die Realisierung großer Forschungsbeschleuniger-Anlagen rechtfertigt, insbesondere aus wirtschaftlicher und nachhaltiger Sicht.“
Zukünftige Großforschung in der Teilchenphysik wird Beschleuniger mit immer höherer Strahlleistung erfordern. Das Hauptziel der Arbeit von Dutine und seinen Kollegen war die Schaffung eines Beschleunigers, der dazu beitragen könnte, diese Anforderungen zu erfüllen und gleichzeitig weniger Energie zu verbrauchen, indem eine Technologie verwendet wird, die als Energierückgewinnung bekannt ist.
„Das Konzept der Energierückgewinnung in Teilchenbeschleunigern ist nicht neu, wird aber kontinuierlich weiterentwickelt“, erklärte Dutine. „Um höhere Strahlenergien bei reduziertem Ressourcenbedarf zu erreichen, sollte das Energierückgewinnungskonzept mit Multiturn-Beschleunigung kombiniert werden, was das Ziel unserer Forschung war.“
Beschleuniger beschleunigen Strahlen, die im Wesentlichen eine große Menge von Teilchen sind, und dieser Prozess verbraucht unvermeidlich Energie. Ein hochenergetischer beschleunigter Strahl könnte mit einem ruhenden Ziel, einem anderen Partikelstrahl oder sogar Laserlicht kollidieren, was möglicherweise zu gewünschten Reaktionen führt, die dann untersucht werden können. Interessante Reaktionen sind jedoch sehr selten, und die meisten Teilchen in einem Strahl interagieren während eines Experiments mit nichts.
„In einem konventionellen Beschleuniger wird der verbleibende Strahl mit hoher Energie abgeladen und die Energie wird verschwendet“, sagte Dutine. „In einem ERL (Energy Recovery Linac) wird die Energie des Strahls zurückgewonnen, indem die Bündel abgebremst werden. Die Energie wird in den Mikrowellenfeldern in den beschleunigenden Strukturen zwischengespeichert und kann anschließend verwendet werden, um die nächsten anstehenden Niedrigenergie-Bündel zu beschleunigen.“
Der von Dutine und seinen Kollegen entwickelte ERL-Beschleuniger hat bisher sehr vielversprechende Ergebnisse erzielt. In ersten Tests maß das Team seine Energierückgewinnung und -rückgewinnung (dh die Verwendung zurückgewonnener Energie zur Beschleunigung nachfolgender Teilchenpakete), während es einen Elektronenstrahl beschleunigte.
„Durch die Messung der Energieeinsparungen haben wir gezeigt, dass das Multiturn-Energierückgewinnungskonzept funktioniert“, sagte Dutine. „Wir haben eine Rückgewinnung von bis zu 87 % der verbrauchten Strahlleistung im Hauptbeschleuniger gemessen. Diese Energieeinsparung ist für Strahlen mit Gigawatt-Leistung finanziell relevant oder kann dazu beitragen, den Fußabdruck des Energieverbrauchs für Großanlagen zu reduzieren.“
Der neue Energierückgewinnungsbeschleuniger mit mehreren Umdrehungen, der von diesem Forscherteam entwickelt wurde, könnte dazu beitragen, physikalische Studien effizienter und nachhaltiger durchzuführen, weniger Energie zu verbrauchen und dennoch hohe Strahlenergien zu erreichen. In Zukunft könnte sein einzigartiges Design die Entwicklung anderer Beschleuniger mit noch geringeren Herstellungskosten und Energieverbrauch beeinflussen und so die nachhaltige Forschung weiter fördern. Dutine und seine Kollegen planen nun, ihren Teilchenbeschleuniger aufzurüsten und auch einen neuen zu bauen.
„Das Potenzial für Energieeinsparungen ist bei Anlagen mit erhöhtem Strahlstrom, Strahlenergien und Windungszahlen sogar noch größer“, fügte Dutine hinzu. „Hier sind wir durch die Eigenschaften unserer bestehenden Anlage eingeschränkt. Wir haben Gespräche mit wissenschaftlichen Partnern, Förderstellen und unserem Ministerium aufgenommen, um diese Forschung zu einer Einrichtung der nächsten Generation auszubauen, in die wir unsere aktuellen Erkenntnisse einfließen lassen wollen Energierückgewinnung in einem Teilchenbeschleuniger in größerem Maßstab und damit potenzielle Nutzer aus internationalen Wissenschaftszentren oder der Industrie davon überzeugen, die Energierückgewinnung für ihren Bedarf an Teilchenbeschleunigern in Betracht zu ziehen.“
Mehr Informationen:
Felix Schliessmann et al, Realisierung eines Multiturn-Energierückgewinnungsbeschleunigers, Naturphysik (2023). DOI: 10.1038/s41567-022-01856-w.
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