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美媒:粒子加速器将迎来绿色革命

2022-08-04 08:42     来源:《大众科学》     粒子加速器LHC

7月5日,欧洲核子研究中心(CERN)的大型强子对撞机(LHC)开始收集数据,这标志着3年中断期的结束。它将向16英里(约合25.7公里)长的环路相反方向发射高能粒子束,产生爆炸性碰撞。科学家们将用高精度探测器来观察碰撞,在碎片中筛选能揭示宇宙内部运作的粒子。

报道称,LHC需要大量电力:足够供一座小城使用的电力。CERN以外的人很容易想知道,为什么一个物理设施需要这么多电。粒子物理学家知道这些需求是极端的,他们中的许多人试图让未来的对撞机更高效。

曾在纽约的布鲁克黑文国家实验室工作的物理学家托马斯·罗泽说:“我认为,业内越来越意识到,如果可能的话,加速器设施需要降低能源消耗。”

科学家已经在为LHC拟议中的继任者——所谓的未来环形对撞机(FCC)制定计划,它的周长几乎是LHC的4倍,几乎包围了日内瓦的大部分地区。与此同时,他们正在研究一些有时出人意料的能源和温室气体排放源——以及如何减少温室气体排放。

报道指出,尽管LHC很庞大,能源需求也非常大,但它运行起来并不是那么碳密集型的。举例来说,CERN的电力来自法国电网,法国的核电厂使其成为世界上碳依赖程度最低的国家之一。如若把LHC放置在一个严重依赖化石燃料的电网的地方,它的气候足迹将截然不同。

但是,对撞机对气候的影响远远超出日内瓦郊区的一小部分。像CERN这样的设施会产生大量原始数据。为处理和分析这些数据,粒子物理学依赖一个由超级计算机、计算机集群和服务器组成的全球网络——众所周知,它们非常耗电。事实上,至少有22个在美国。

科学家可以计划在低碳电力丰富的地方建造这些网络或使用计算机。

美国内布拉斯加大学林肯分校物理学教授肯·布卢姆说:“或许我们还应该考虑每一个芯片处理器周期的碳排放量,并将其作为规划技术的一个因素,就像你考虑成本或电力效率一样。”

尽管加速器本身只是粒子物理学碳足迹的一小部分,但伦敦大学皇家霍洛韦学院粒子物理学家韦罗妮克·布瓦韦尔认为,研究人员应该计划降低加速器的能耗。等到FCC在本世纪40年代和50年代上线时,“脱碳”意味着它将不得不与比现在更多的汽车和电器争夺电网资源。她认为提前做计划是明智之举。

布瓦韦尔说,减少用电量的目标是一样的,“你仍然需要将能量最小化,但原因不同”。

为了提高效率和节约能源,科学家正在研究一些能够帮助制造“绿色加速器”的技术。

2019年,康奈尔大学和布鲁克黑文国家实验室的研究人员推出了一台名为“康奈尔-布鲁克黑文ERL试验加速器”(CBETA)的加速器原型机。值得注意的是,在演示中,CBETA回收了科学家们投入其中的所有能量。

美国康奈尔大学物理学家格奥尔格·霍夫施泰特说:“我们在一定程度上采用了现有技术,对其进行了改进,扩大了其应用范围。”

CBETA发射高能电子,通过一个跑道形状的环路,这个环路可以安装在一个仓库中。电子每跑“一圈”就获得一次能量提升。四圈后,加速器可以使电子减速并储存它们的能量以供再次使用。CBETA使物理学家们第一次在电子跑了那多圈之后回收能量。

这不是一项新技术,但随着粒子物理学家对节能越来越感兴趣,FCC的计划中也有类似技术。霍夫施泰特说:“(FCC)有使用能量回收的选项。未粉碎的粒子可以被回收。”

CBETA还通过使用不同的磁体来节能。大多数粒子加速器使用电磁铁来引导粒子沿着圆弧前进。电磁铁通过在其周围通电来获得磁力;关闭开关,磁场消失。通过使用不需要电力的永磁铁替代电磁铁,CBETA可以减少能源使用。

霍夫施泰特说:“这些技术正在逐渐流行起来。它们正在被认可,并被纳入新的节能项目中。”

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