5 июля, после трехлетнего перерыва, Большой адронный коллайдер ЦЕРН начнет сбор данных. Он запустит пучки высокоэнергетических частиц в противоположных направлениях по петле длиной 16 миль, чтобы создать взрывное столкновение. Ученые будут наблюдать за этой катастрофой с помощью высокоточных детекторов и просеивать обломки в поисках частиц, раскрывающих внутреннюю работу нашей Вселенной.
Но для всего этого БАКу требуется электроэнергия: ее хватит на небольшой город. Человеку за пределами ЦЕРНа легко задаться вопросом, зачем одному физическому объекту столько энергии. Физики элементарных частиц знают, что эти требования экстремальны, и многие из них пытаются сделать коллайдеры будущего более эффективными.
"Я думаю, что в обществе растет понимание того, что ускорительные установки должны сокращать потребление энергии, если это вообще возможно", - говорит Томас Розер, физик, работавший ранее в Брукхейвенской национальной лаборатории в Нью-Йорке.
Ученые уже разрабатывают планы для предполагаемого преемника БАК - так называемого будущего циркулярного коллайдера (FCC), окружность которого будет почти в четыре раза больше, чем у БАК, буквально опоясывая большую часть города Женевы. При этом они рассматривают несколько, иногда неожиданных, источников энергопотребления и выбросов парниковых газов, а также способы их сокращения.
Сетевые затраты
БАК, несмотря на его размеры и потребность в энергии, не так уж углеродоемка в эксплуатации. Например, ЦЕРН получает электроэнергию от французской энергосистемы, чей портфель атомных электростанций делает его одним из наименее углеродоемких в мире. Поместите БАК в место с сетью, в которой много ископаемого топлива, и его климатический след будет совсем другим.
"Нам очень повезло... если бы это было в США, это было бы ужасно", - говорит Вероник Буаверт, физик частиц из Royal Holloway Лондонского университета.
Но воздействие коллайдера на климат распространяется далеко за пределы небольшого сектора пригорода Женевы. Установки, подобные ЦЕРН, генерируют огромное количество необработанных данных. Для обработки и анализа этих данных физика частиц полагается на глобальную сеть суперкомпьютеров, компьютерных кластеров и серверов, которые, как известно, требовательны к мощности. По меньшей мере 22 из них находятся в США.
Ученые могут планировать строительство таких сетей или использование компьютеров в местах с низкоуглеродным электричеством: Калифорния, скажем, а не Флорида.
"Возможно, нам также следует подумать о том, каков выброс углекислого газа за цикл работы процессора, и использовать это как фактор при планировании технологии, так же как стоимость или энергоэффективность", - говорит Кен Блум, физик частиц из Университета Небраски-Линкольна.
Несмотря на то, что сам ускоритель составляет лишь малую часть углеродного следа физики частиц, Бозиверт считает, что исследователи должны планировать снижение энергопотребления установки. К тому времени, когда FCC начнет работать в 2040-х и 2050-х годах, декарбонизация означает, что ему придется конкурировать за ресурсы в энергосети с гораздо большим количеством автомобилей и бытовых приборов, чем сегодня. Она считает, что разумно планировать на это время.
Цель снижения энергопотребления остается прежней, говорит Бозиверт. "Вам по-прежнему нужно минимизировать энергопотребление, но по другой причине".
Восстановление энергии
Во имя эффективности и энергосбережения ученые изучают несколько технологий, которые могут помочь сделать "зеленые ускорители".
В 2019 году исследователи из Корнельского университета и Брукхейвенской национальной лаборатории представили прототип ускорителя под названием Cornell-Brookhaven ERL Test Accelerator (CBETA). Примечательно, что в ходе демонстраций CBETA восстановил всю энергию, которую в него вложили ученые.
"Мы взяли уже существующую технологию, в какой-то степени усовершенствовали ее и расширили сферу применения", - говорит Георг Хоффштеттер, физик из Корнельского университета.
CBETA запустила высокоэнергетические электроны через петлю в форме гоночной трассы, которая может поместиться на складе. С каждым "кругом" электроны получали заряд энергии. После четырех кругов машина могла замедлить электроны и сохранить их энергию, чтобы использовать ее снова. CBETA стала первым случаем, когда физики восстановили энергию после такого количества полных кругов.
Это не новая технология, но по мере того, как физики частиц все больше интересуются вопросами экономии энергии, подобная технология входит в планы FCC. "Есть варианты для [FCC], которые используют рекуперацию энергии, - говорит Хоффстеттер. Частицы, которые не разбиваются, могут быть восстановлены.
CBETA также экономит энергию за счет использования различных магнитов. Большинство ускорителей частиц используют электромагниты для направления частиц по дуге. Электромагниты получают свою магнитную силу от электричества, проведенного вокруг них; выключите выключатель, и магнитное поле исчезнет. Заменив электромагниты постоянными магнитами, которые не нуждаются в электричестве, CBETA сможет сократить потребление энергии.
"Эти технологии набирают обороты", - говорит Хоффстатер. "Их признают, и они включаются в новые проекты для экономии энергии".
Некоторые из этих проектов ближе к завершению, чем ФКС. Проектировщики нового коллайдера в Брукхейвене, разбивающего вместе электроны и ионы, разработали проект с рекуперацией энергии. В Лаборатории Джефферсона, ускорительном центре в Ньюпорт-Ньюс, штат Вирджиния, ученые строят гораздо больший ускоритель, в котором используются постоянные магниты.
Это не единственный способ, с помощью которого энергия коллайдера частиц обретает новую жизнь. Большая часть энергии коллайдера превращается в тепло. Это тепло можно использовать в работе: ЦЕРН экспериментировал с подачей тепла в дома в городах, окружающих БАК.
Виновники газообразования
Но сосредоточение внимания на выбросах углерода от этих предприятий упускает часть картины - фактически, самую большую часть. "Это не доминирующий источник выбросов", - говорит Бозиверт. "Доминирующим источником являются газы, которые мы используем в наших детекторах частиц".
Чтобы поддерживать идеальную температуру для обнаружения частиц, высокочувствительное оборудование необходимо охлаждать с помощью газов - аналогично газам, используемым в некоторых холодильниках. Эти газы должны быть невоспламеняющимися и выдерживать высокие уровни радиации даже при поддержании температуры в холодильнике.
Эти газы относятся к категориям гидрофторуглеродов (ГФУ) и перфторуглеродов (ПФУ). Некоторые из них являются парниковыми газами, гораздо более мощными, чем углекислый газ. C2H2F2, наиболее распространенный в ЦЕРНе ГФУ, задерживает тепло в 1 300 раз эффективнее.
БАК уже пытается уловить эти газы, повторно использовать их и остановить их извержение в атмосферу. Тем не менее, его процесс не идеален. "Многие из них находятся в тех частях этих экспериментов, к которым просто очень трудно получить доступ", - говорит Блум. "Там могут образоваться утечки. Их будет очень трудно устранить".
С точки зрения логистики, использование ГФУ и ПФУ представляет собой проблему закупок. Некоторые юрисдикции - Европейский Союз - движутся к их запрету. Бозиверт говорит, что это привело к резким колебаниям цен.
"Когда вы разрабатываете будущие детекторы, вы уже не сможете использовать эти газы", - говорит Бозиверт. "Все эти исследования и разработки - "Хорошо, какие газы мы будем использовать?" - должны происходить, по сути, сейчас".
Есть альтернативы. Одной из них, на самом деле, является углекислый газ. ЦЕРН переоборудовал некоторые детекторы БАК, чтобы они охлаждались этим соединением. Это не идеально, но это улучшение.
Именно такие варианты многие ученые хотели бы видеть в любом обсуждении планирования будущего ускорителя.