Teams des Fermi National Accelerator Laboratory und der Sanford Underground Research Facility haben den ersten Test zum Heben und Senken eines sechs Tonnen schweren L-förmigen Stahlträgers für den Bau des Deep Underground Neutrino Experiments in Lead, South Dakota, erfolgreich abgeschlossen.
Der Transport eines großen, unregelmäßig geformten Stahlbauteils durch einen schmalen Minenschacht in eine eine Meile unter der Erde liegende Kaverne bei SURF ist aufgrund der Größe und des Gewichts des Trägers und des aufzugsähnlichen Laderaums von etwa der Größe eines Lagerschuppens im Hinterhof keine leichte Aufgabe. Der erfolgreiche Test ist ein bedeutender Schritt nach vorne und ermöglicht es Ingenieuren und Besatzungen, künftige Herausforderungen vorherzusehen.
DUNE ist eine internationale Zusammenarbeit und die Stahlkomponenten sind ein Sachbeitrag zum Experiment des CERN. Die erste Lieferung von Trägern ins Ausland zu Beginn dieses Jahres ist nur der Anfang der 2.100 Strukturelemente, die Anfang nächsten Jahres an SURF geliefert werden.
„Unser gesamtes Team war begeistert, als der Stahl zum Testen in South Dakota ankam“, sagte Jolie Macier, Projektmanagerin für Ferndetektoren und Kryotechnik bei Fermilab. „Ich bin allen von SURF dankbar, die bei diesem einjährigen Planungsprozess geholfen haben, sowie unseren Partnern vom CERN. Dies ist wirklich eine Gemeinschaftsleistung.“
Die ersten beiden Strahlen, die im Januar geliefert wurden, sind Teil der Außenstruktur für die riesigen Kryobehälter von DUNE in der Long-Baseline-Neutrino-Anlage. Sobald sie mit den anderen 2.500 Tonnen Stahl zusammengebaut sind, werden sie dazu beitragen, eine Struktur mit einer Länge von 216 Fuß, einer Breite von 62 Fuß und einer Höhe von 60 Fuß zu bilden.
Nach der Installation des internen Isoliermaterials wird die integrierte Struktur einen Partikeldetektor tragen und beherbergen, der mit 17.000 Tonnen flüssigem Argon gefüllt wird, das auf -302 °F (-186 °C) gekühlt wird. Wissenschaftler werden diese Detektormodule einsetzen, um Neutrinos zu verstehen – geisterhafte Teilchen, deren Nachweis unglaublich schwierig ist.
Keine Überraschungen
Monatelange sorgfältige Planung unter den internationalen Partnern von LBNF/DUNE ebnete den Weg für diesen ersten Erfolg.
„Wir wollen keine Überraschungen erleben, wenn wir schwere Stahlteile in den Schacht heben“, sagte Jeff Barthel, Rigging Supervisor bei SURF. „Beim Testen lernt man Dinge, und diese Tests haben dazu beigetragen, Schritte zu identifizieren, die ergriffen werden können, um diese Aufgabe sicher und wiederholbar zu machen, wenn es an der Zeit ist, die große Anzahl von Kryostatkomponenten zu reduzieren, die für die Far-Site-Detektoren erforderlich sind.“
Dieser Test umfasste einen der vielen L-förmigen Stahlträger, die die Ecken der Struktur bilden werden. Aufgrund ihrer Größe, Form und ihres Schwerpunkts weisen die L-Träger einige einzigartige Einschränkungen auf. Der in diesem Test zunächst abgesenkte L-Träger ist etwa 18 Fuß lang und 12 Fuß breit und wiegt 12.000 Pfund.
„Das Wichtigste für den L-Träger ist der Kippwinkel, da die Neigung nicht mehr als fünf Grad betragen darf“, sagte Sanmitra Pingulkar, Maschinenbauingenieurin bei Fermilab. „Der Träger musste in die Grundfläche des Käfigs und des Schachts passen, und die Teams mussten außerdem bedenken, dass das Gewicht der Gesamtlast 13.500 Pfund nicht überschreiten durfte. 90 % des Gewichts dieses speziellen Aufzugs entfiel auf den L-Träger.“ selbst.“
Als der Strahl den Boden des Aufzugsschachts erreichte, nachdem er mit einer Geschwindigkeit von 100 Fuß pro Minute fast eine Meile unter der Erde abgesunken war, wurden die Besatzungen für ihre sorgfältige Planung belohnt.
„Am Ende war der L-Träger stabil und blieb innerhalb eines Grads. Es war ein Erfolg“, sagte Pingulkar.
„Und der Erfolg dieses Tests ist der gemeinsamen Anstrengung aller Beteiligten im letzten Planungsjahr zu verdanken“, fügte Charles Maupin, Maschinenbauingenieur bei SURF, hinzu. „Diese Lernerfahrung ist das erste von vielen Kryostatstahlstücken, die wir bei SURF 4.850 Fuß unter die Erde transportieren werden.
Abläufe perfektionieren
Um den Testhub eines Stahlträgers vorzubereiten, erstellten die Teams von SURF im vergangenen Frühjahr zunächst eine maßstabsgetreue Holznachbildung eines L-Trägers. Obwohl es viel leichter ist als die eigentliche Stahlkomponente, trugen die Form und der Schwerpunkt des Modells dazu bei, besser zu verstehen, wie die Teams die Stahlkonstruktionen am effektivsten handhaben konnten.
Allein für das LBNF/DUNE-Projekt führte SURF bis zu diesem Zeitpunkt 350 Hebungen durch. Diese Arbeit umfasst die Analyse der Lastdynamik und der Einschränkungen der Rigging-Ausrüstung sowie die Minimierung des Risikos unerwarteter Ereignisse, wie z. B. eines plötzlichen Stillstands des Käfigs im Schacht.
„Man muss alles quantifizieren“, sagte Barthel. „Wenn etwas passiert, könnte der Betrieb für längere Zeit stillgelegt werden. Das könnte enorme Auswirkungen haben, die das Projekt Monate kosten. Bei alldem darf man kein Risiko eingehen.“
„Es gibt viele Leute, die viel Mühe und Nachdenken in diese Aufzüge gesteckt haben“, fügte Barthel hinzu. „Die Professionalität und Teamarbeit unserer Besatzungsmitglieder während des Testhubs war ein Beweis für ihre Ausbildung und ihr Können.“
Ende 2022 führte CERN in Zusammenarbeit mit Fermilab und SURF erfolgreich einen ähnlichen Test für große, zerbrechliche DUNE-Teilchendetektorkomponenten durch, die als Anodenebenenbaugruppen bekannt sind.
Internationale Partnerschaft
Mitglieder des CERN waren während der Durchführung des Lifts vor Ort bei SURF. Olga Beltramello, Maschinenbauingenieurin am CERN, war eine der Beobachterinnen, die beim Absenkungstest bei SURF anwesend waren.
„Dieser Test war eine wichtige Lernmöglichkeit“, sagte Beltramello. „Für CERN ist es sehr wichtig, dass wir nicht nur überprüfen, ob alles funktioniert, sondern auch, dass der Zeitpunkt des Absenkens der Ausrüstung mit dem restlichen Installationsplan für den vom CERN gelieferten Kryostat kompatibel ist.“
„Unsere Partnerschaft mit CERN ist ein wichtiges Element des LBNF/DUNE-Projekts“, fügte Macier hinzu. „Ihr Engagement für den Erfolg dieser Zusammenarbeit ist von entscheidender Bedeutung und wird sehr geschätzt.“
Einen Schritt näher
Der erfolgreiche Test zum Absenken der schweren Stahlbauteile bringt die internationale Zusammenarbeit dem Start der DUNE-Detektorinstallation einen entscheidenden Schritt näher. Sobald es betriebsbereit ist, wird ein Neutrinostrahl, der vom Fermilab-Campus in der Nähe von Chicago gesendet wird, 800 Meilen durch die Erde zu den riesigen unterirdischen Detektoren von DUNE bei SURF wandern.
Wissenschaftler erwarten, dass DUNE ein klareres Bild vom Verhalten und der Umwandlung von Neutrinos in verschiedene Zustände zeichnet und sogar Hinweise auf den Ursprung der Materie im Universum liefert.
Mehr als 1.400 Wissenschaftler und Ingenieure in über 35 Ländern tragen zu dem Experiment bei.