Können wir einen Teilchenbeschleuniger energieeffizienter machen?

Seit der Entdeckung des Higgs-Bosons im Jahr 2012 wollten Physiker neue Teilchenbeschleuniger bauen, um die Eigenschaften dieses schwer fassbaren Teilchens besser zu verstehen und die Elementarteilchenphysik auf immer höheren Energieskalen zu untersuchen.

Der Trick besteht darin, dass es viel Energie kostet, dies zu tun. Ein typischer Collider benötigt für den Betrieb Hunderte Megawatt – das Äquivalent von Dutzenden Millionen moderner Glühbirnen. Ganz zu schweigen von der Energie, die für den Bau der Geräte aufgewendet wird, und in der Summe kommt es auf eines an: jede Menge Kohlendioxid und andere Treibhausgase.

Nun haben Forscher des SLAC National Accelerator Laboratory des Energieministeriums und der Stanford University darüber nachgedacht, wie ein Vorschlag, der Cool Copper Collider (C3), energieeffizienter gemacht werden kann.

Um zu verstehen, wie das geht, betrachteten sie drei Schlüsselaspekte, die für jedes Beschleunigerdesign gelten: wie Wissenschaftler den Collider betreiben würden, wie der Collider selbst überhaupt gebaut wird und sogar wo der Collider gebaut wird – was sich als problematisch erweist erhebliche, wenn auch indirekte Auswirkungen auf den gesamten CO2-Fußabdruck des Projekts haben.

„Wenn es um große Wissenschaft geht, ist es jetzt zwingend erforderlich, nicht nur an die finanziellen Kosten, sondern auch an die Auswirkungen auf die Umwelt zu denken“, sagte Caterina Vernieri, Assistenzprofessorin am SLAC und eine der Co-Autoren des neuen Papiers veröffentlicht In PRX-Energie.

Emilio Nanni, Assistenzprofessor am SLAC und weiterer Co-Autor, stimmte zu. „Als Wissenschaftler hoffen wir alle, die Öffentlichkeit und zukünftige Generationen nicht nur durch unsere Entdeckungen, sondern auch durch unser Handeln zu inspirieren“, sagte Nanni. „Dazu müssen wir sowohl die möglichen wissenschaftlichen Auswirkungen als auch die Gesamtauswirkungen auf unsere Gemeinschaft berücksichtigen.“ Er sagte, dass eine nachhaltigere Gestaltung der Einrichtungen dazu beitragen werde, beide Ziele zu erreichen.

Eine Fülle von Optionen

C3 ist einer von mehreren verschiedenen Vorschlägen für einen Beschleuniger der nächsten Generation, mit dem Higgs und darüber hinaus untersucht werden können, obwohl sie alle einem von zwei grundlegenden Designs folgen: Linearbeschleunigern wie C3 und dem vorgeschlagenen International Linear Collider und Synchrotrons oder zukünftige Kreisbeschleuniger, wie der Future Circular Collider oder der Circular Electron Positron Collider.

Jedes hat seine Vor- und Nachteile. Insbesondere können Synchrotrons Teilchenstrahlen rezirkulieren lassen, was bedeutet, dass sie Daten über viele Schleifen hinweg sammeln können. Allerdings stoßen sie an ihre Grenzen, denn geladene Teilchen wie Protonen und Elektronen verlieren Energie, wenn ihre Bahnen kreisförmig gebogen werden, was den Stromverbrauch in die Höhe treibt. Linearbeschleuniger haben nicht das Problem des Energieverlusts, was es ihnen ermöglicht, höhere Energien zu erreichen und die Möglichkeit für neue Messungen zu eröffnen, aber sie nutzen den Strahl nur einmal und um höhere Datenraten zu erreichen, müssen sie mit intensiven Strahlen arbeiten.

C3 zielt darauf ab, die Längen-Energie-Einschränkungen der meisten Linearbeschleuniger mit einem neuen Design zu lösen, einschließlich präziser zugeschnittener elektromagnetischer Felder, die an mehr Punkten in den Beschleuniger eingespeist werden, sowie eines neuen kryogenen Kühlsystems. Das Projekt zielt außerdem darauf ab, mehr austauschbare Teile und einen Konstruktionsansatz zu verwenden, der die Kosten erheblich senken könnte, was letztendlich zu einem relativ kostengünstigen und kleinen Collider – nur etwa fünf Meilen lang – führt, der dennoch die extremen Grenzen der Teilchenphysik erforschen könnte.

Große Physik nachhaltiger gestalten

Dennoch würde der Bau und Betrieb des vorgeschlagenen C3-Beschleunigers viele Ressourcen erfordern, weshalb seine Befürworter einem wachsenden Problem Rechnung trugen, indem sie den CO2-Fußabdruck großer Physikprojekte berücksichtigten, angefangen bei der Art und Weise, wie sie den Beschleuniger selbst betreiben würden.

Historisch gesehen haben Physiker dem Betrieb von Beschleunigern wenig Aufmerksamkeit geschenkt, zumindest im Hinblick auf die Energieeffizienz. Das SLAC- und Stanford-Team stellte jedoch fest, dass subtile Änderungen, wie die Änderung der Struktur des Teilchenstrahls und Verbesserungen beim Betrieb von Klystronen, die die elektromagnetischen Felder erzeugen, die den Strahl antreiben, einen Unterschied machen könnten. Zusammengenommen könnten diese Verbesserungen den Strombedarf von C3 von rund 150 Megawatt auf vielleicht 77 Megawatt oder fast halbieren. „Ich wäre mit 50 % davon zufrieden“, sagte Vernieri.

Andererseits stellte das Team fest, dass der Bau selbst wahrscheinlich für den Großteil des CO2-Fußabdrucks von C3 verantwortlich ist – insbesondere, da die Welt auf die Nutzung erneuerbarer Energien umsteigt. Die Forscher gehen davon aus, dass die Verwendung verschiedener Materialien, beispielsweise unterschiedlicher Formen von Beton, sowie die Beachtung der Art und Weise, wie Materialien hergestellt und transportiert werden, dazu beitragen könnten, die Auswirkungen der globalen Erwärmung zu verringern. C3 ist auch deutlich kleiner als andere Beschleunigervorschläge – nur acht Kilometer lang – was den Gesamtmaterialverbrauch reduzieren und es den Bauherren ermöglichen würde, Standorte auszuwählen, die den Bau vereinfachen und beschleunigen könnten.

Die Forscher überlegten auch, wo sich das C3-Projekt befinden würde, da sich dies auf die Mischung aus fossilen Brennstoffen und erneuerbaren Energien auswirken könnte, die den Beschleuniger antreiben, oder möglicherweise auf den Bau einer speziellen Solarfarm, die zusammen mit einem Energiespeichersystem die Energie des Beschleunigers abdecken würde Bedürfnisse.

Wie sich Collider stapeln

Schließlich untersuchte das SLAC-Stanford-Team, wie C3 im Vergleich zu anderen zukünftigen Collider-Vorschlägen abschneiden könnte und wie sich lineare und kreisförmige Collider vergleichen, wenn jeder Collider ähnliche Messungen durchführt.

Basierend auf ihrer Analyse und ähnlichen Nachhaltigkeitsstudien für andere Beschleuniger kam das Team zu dem Schluss, dass der Bau wahrscheinlich der Hauptfaktor für den CO2-Fußabdruck eines Projekts ist, dass Kreiskollider, die ähnliche physikalische Ziele erreichen können, jedoch im Allgemeinen höhere baubedingte Emissionen verursachen würden. Ebenso hätten kürzere Beschleuniger wie C3 und ein weiterer Vorschlag, der Compact Linear Collider, im Vergleich zu längeren Beschleunigern ein geringeres Treibhauspotenzial.

„Es ist ein so neues Fachgebiet“, sagte Vernieri über die Untersuchung der Nachhaltigkeit von Physikprojekten, aber ein notwendiges. „Es gibt eine ganz neue Diskussion, die zumindest die Frage nach dem CO2-Fußabdruck der Teilchenphysik aufwirft.“