Coordinando esfuerzos a nivel europeo y compartiendo recursos, los científicos buscan obtener ganancias rápidas actuando sobre tres palancas clave: los sistemas criogénicos, la potencia de radiofrecuencia y la recuperación de energía del haz. Este proyecto es coordinado por el CNRS-IN2P3 en IJCLab (Achille Stocchi), con un responsable científico en la Universidad de Bruselas VUB (Jorgen D'Hondt).
Vista en corte del criomódulo del proyecto PERLE.
Alrededor de 40 000 – ese es el número de aceleradores de partículas actualmente en funcionamiento en el mundo, tanto en investigación como en industria. Estas máquinas, notoriamente hambrientas de energía, podrían alcanzar en un futuro cercano un consumo global cercano al 1% de la demanda anual de electricidad en un país como Alemania.
"En este contexto y dados los desafíos climáticos, cuando trabajamos en aceleradores de partículas, tenemos que abordar el tema de su consumo eléctrico," explica Maud Baylac del LPSC, coordinadora de relaciones exteriores del proyecto. Se vuelve más necesario que nunca reunir a todos los actores que están desarrollando sistemas más sostenibles y eficientes, para coordinar estos esfuerzos y sincronizarlos. Ese es el objetivo del proyecto iSAS".
El proyecto cuenta con una asignación de 5 millones de euros otorgada por Europa y distribuida entre ocho socios europeos, expertos en la disciplina, incluidos el CERN, el IN2P3 con IJCLab y el LPSC, y el CEA, entre otros.
"No empezamos de cero," enfatiza Guillaume Olry de IJCLab, responsable de un grupo de trabajo. "Desde hace décadas, han surgido muchas iniciativas en los laboratorios para optimizar ciertos subsistemas. Sin embargo, hasta ahora, los diferentes grupos abordaban problemas individuales, específicos a su propia máquina, sin necesariamente coordinar sus trabajos de investigación. El proyecto iSAS tiene la ambición de unir a los científicos en Europa, ofreciéndoles un marco privilegiado para compartir, a través de grupos de trabajo dedicados, su conocimiento único en la materia y avanzar más rápido en esta temática".
El equipo del proyecto en IJCLab
Los esfuerzos del proyecto iSAS se centran en el criomódulo, que es la unidad fundamental para la aceleración de partículas. En el criomódulo, las cavidades de radiofrecuencia (RF) superconductoras aceleran las partículas mediante un campo eléctrico alterno de alta frecuencia, extremadamente intenso, establecido inyectando potencia de radiofrecuencia. Un sistema criogénico es necesario para enfriar y mantener las cavidades a 2 kelvins (-271°C) para garantizar sus propiedades superconductoras. El proyecto iSAS busca optimizar tanto la eficiencia de la inyección de potencia RF como minimizar las pérdidas térmicas.
Concretamente, iSAS tiene la ambición de impulsar el desarrollo de subsistemas innovadores, cuya integración en un "criomódulo del futuro" podría reducir drásticamente el consumo eléctrico de los aceleradores en todo el mundo. El proyecto apuesta, en primer lugar, por una regulación muy precisa y rápida de la frecuencia del campo eléctrico, basada en un sistema novedoso que permite reducir significativamente el consumo de energía en las cavidades.
Al mismo tiempo, se busca mejorar la inyección de potencia en las cavidades optimizando los acopladores de potencia y desarrollar acopladores "HOM" para extraer mejor los modos RF parásitos de órdenes superiores que pueden aumentar el consumo criogénico. "Limitar las pérdidas criogénicas dentro del criomódulo es una prioridad absoluta para nuestro proyecto. Hay que saber que un solo vatio depositado por transmisión de energía en las partes enfriadas a 2 kelvins se traduce en un consumo real de 800 vatios tomados de la red. ¡Sobra decir que con tal factor, cada vatio ahorrado cuenta!," enfatiza Guillaume Olry.
En cuanto a la criogenia, uno de los principales desafíos es construir cavidades que funcionen a temperaturas más altas para reducir el consumo eléctrico necesario para enfriar el helio líquido que baña las cavidades RF. "Uno de los objetivos de iSAS es lograr que las cavidades RF funcionen a 4 kelvins (-269°C), en lugar de a los 2 kelvins actuales," explica Guillaume Olry. Para lograrlo, la clave es realizar recubrimientos con capas delgadas en las paredes de las cavidades RF. Aún debemos superar las dificultades técnicas en la fabricación y explotación de estos recubrimientos, cuya ejecución se complica debido a la intrincada forma de las cavidades".
Pero eso no es todo: el proyecto iSAS también pretende implementar una tecnología destinada a recuperar la energía del haz desacelerándolo en las mismas cavidades RF que se utilizan para su aceleración: esta potencia, restaurada a las cavidades RF, permite acelerar el siguiente haz, reduciendo considerablemente el consumo global del sistema.
Tal dispositivo podría aplicarse en máquinas cuyos haces de partículas están poco alterados después de la interacción, como los colisionadores de partículas o las fuentes de luz. Requiere el desarrollo de un criomódulo adaptado, al cual se dedica el proyecto internacional PERLE en construcción en IJCLab (Orsay), un demostrador de ERL que apunta a un régimen de múltiples vueltas con alta potencia de haz.
"No somos los primeros en ocuparnos de estas tecnologías. Nuestro objetivo aquí es superar los límites del estado del arte en cuanto a la recuperación de energía del haz, para poner a prueba esta tecnología en sus futuros proyectos de alta potencia" (varios MW), especifica Walid Kaabi, responsable del área de aceleradores de IJCLab.
La optimización de todas estas tecnologías en los próximos cuatro años en el marco de iSAS debería llevar al diseño de prototipos que consumen menos energía, cuyas características podrían influir en la actualización de los aceleradores existentes y la construcción de futuros aceleradores.
Para Maud Baylac, la razón de ser del proyecto es clara: "Con iSAS, trabajamos para reducir el impacto ambiental de los aceleradores. Reunimos comunidades para lograr objetivos concretos y contribuir a diseñar los aceleradores del futuro hacia una transición ecológica".