Una dintre cele mai sofisticate instalații științifice din lume apelează la temperaturi ultra-scăzute pentru a încerca să dezvăluie secretele ascunse ale Universului nostru. Fizicienii folosesc acceleratorul de particule Large Hadron Collider (LHC), îngropat în pământ la granița dintre Franța și Elveția, pentru a dezvălui secretele particulelor minuscule care alcătuiesc Universul. LHC funcționează prin ciocnirea unora dintre aceste particule una de cealaltă și observarea a ceea ce se întâmplă atunci când acestea se ciocnesc, iar temperaturile necesare pentru a răci anumite părţi ale LHC ating şi -271 de grade Celsius, scrie BBC News.
Știința nucleară atinge temperaturi mai scăzute decât cel mai rece loc natural din Univers, Nebuloasa Boomerang
Până în anii 2030, LHC, construit de Organizația Europeană pentru Cercetare Nucleară (CERN), va produce mult mai multe astfel de coliziuni. Ideea este de a obține măsurători și mai precise ale particulelor subatomice care au ca rezultat aceste impacturi.
"În cazul în care vreo măsurătoare se va abate vreodată de la valorile definite de așa-numitul Model Standard al fizicii, atunci vom ști că trebuie să existe o fizică nouă", spune Martin Aleksa, coordonatorul tehnic al experimentului Atlas de la CERN.
Însă, în mod surprinzător, această cercetare de pionierat care investighează complexitatea materiei în sine depinde, cel puțin parțial, de o tehnologie utilizată și în frigiderele supermarketurilor. Temperaturile scăzute sunt apreciate de mulți oameni de știință. Experimentele la temperaturi scăzute pot încetini particulele subatomice sau pot stabiliza materialele într-un mod care le face mai ușor de studiat, de exemplu.
"Vrem să fim unul dintre liderii tehnologici, așa că am început să-l dezvoltăm împreună cu Cern", spune Stefan Brohm, inginer principal la Swep, un producător de schimbătoare de căldură: dispozitive care mută căldura de la un fluid la altul.
"Diferite tipuri de schimbătoare de căldură sunt utilizate în frigidere, pompe de căldură, mașini și chiar motoare de avioane pentru a transfera căldura. În acest caz, schimbătoarele de căldură Swep vor ajuta, odată ce modernizarea LHC este finalizată, la răcirea unor părți ale experimentului Atlas al LHC la -45 grade Celsius, într-un efort de a reduce zgomotul electronic asociat cu radiațiile", explică Aleksa.
Schimbătorul de căldură specific Swep, dezvoltat pentru modernizarea LHC, permite utilizarea dioxidului de carbon ca agent frigorific. Deși este un gaz cu efect de seră, dioxidul de carbon este mult mai puțin potent decât agentul frigorific utilizat în sistemul anterior în cauză, așadar trecerea reprezintă o îmbunătățire în ceea ce privește sustenabilitatea.
După ce a dezvoltat noul schimbător de căldură pentru Cern, Swep spune că același dispozitiv are aplicații și în răcirea industrială și comercială, cum ar fi în frigiderele din supermarketuri.
"Acest lucru deschide posibilități pentru alte sisteme", spune Brohm.
Diverse alte companii și-au dezvoltat separat propria tehnologie de schimbător de căldură cu dioxid de carbon, ca parte a unei tendințe generale către agenți frigorifici mai puțin dăunători pentru climă.
Yifeng Yang, directorul Institutului de Criogenie din cadrul Ingineriei și Științe Fizice de la Universitatea din Southampton, Marea Britanie, afirmă că multe frigidere, inclusiv unele dintre echipamentele de răcire de la LHC, utilizează ciclul de compresie a vaporilor, în care un agent frigorific absoarbe căldura și este apoi comprimat, ceea ce îi crește presiunea și temperatura, astfel încât căldura să poată fi transferată în altă parte.
Însă alte părți ale LHC necesită temperaturi mult mai scăzute decât Atlas. Aceste regiuni ale acceleratorului de particule se numără printre cele mai reci locuri de pe Pământ. De exemplu, peste 1.000 de electromagneți răspândiți în jurul instalației sunt răciți până la o temperatură uluitoare de 1,9 Kelvin (-271 grade Celsius). Sub 10 Kelvin (-263 grade Celsius), bobinele de sârmă de niobiu-titan din centrul electromagneților LHC devin supraconductori, ceea ce înseamnă că permit electricității să treacă prin ele fără rezistență.
Atingerea unor astfel de temperaturi durează săptămâni și se bazează pe răcirea treptată a heliului lichid în diferite etape, până când atinge temperatura țintă de 1,9 Kelvin. Aceasta este o temperatură mai scăzută chiar și decât Nebuloasa Bumerang, cel mai rece loc natural cunoscut din Univers.
O tehnologie cheie utilizată de oamenii de știință pentru a atinge temperaturi extrem de scăzute, care se bazează tot pe heliu, se numește refrigerare prin diluție. Aceasta folosește doi izotopi ai heliului: heliu-4 și heliu-3 (numerele se referă la numărul de protoni și neutroni din nucleul fiecărui atom). Heliul-4 este utilizat în baloanele de petrecere, în timp ce heliul-3 este una dintre cele mai scumpe substanțe din lume.
"Prețul său fluctuează, dar un litru din această substanță poate costa mii de lire sterline", spune Richard Haley, profesor de fizică a temperaturilor joase la Universitatea Lancaster din Marea Britanie.
Temperaturile scăzute fac ca heliul-3 să se separe în mare parte de heliul-4 și să plutească deasupra acestuia, precum uleiul pe apă. Atunci când unii atomi de heliu-3 sunt apoi pompați în jos, în regiunea în care se află în mare parte atomii de heliu-4 de sub ei, aceștia absorb căldură în acest proces, ceea ce are un efect profund de răcire. Haley spune că este cam ca "evaporarea inversată", un fel de versiune inversată a ceea ce se întâmplă atunci când moleculele de apă lichidă se transformă în abur și se ridică dintr-o ceașcă de cafea.
Spre deosebire de cafea, însă, refrigerarea prin diluție poate atinge temperaturi incredibil de scăzute, chiar și de 5-10 millikelvin.
"Fizica temperaturilor ultra-scăzute este un domeniu de frontieră. Dacă răcești ceva la o temperatură la care nu a mai fost niciodată, ar putea produce ceva interesant", spune Haley.
Oamenii de știință au folosit chiar și temperaturi scăzute pentru a încetini lumina de la viteza sa obișnuită de 1,08 miliarde km/h la doar 61 km/h, unde ar rămâne mult în urma mașinilor care circulă cu limita de viteză pe o autostradă britanică.
Unii oameni de știință folosesc configurații la temperaturi ultra-scăzute pentru a studia cum s-ar fi putut comporta Universul în urma Big Bang-ului, de exemplu.
"Frigiderele de diluție sunt cruciale pentru computerele cuantice. Dispozitivele mari, aurii, asemănătoare unor candelabre, pe care le vedeți uneori în imaginile computerelor cuantice sunt frigiderele de diluție care fac posibilă informatica cuantică", explică Haley.
Temperaturile extrem de scăzute sunt necesare deoarece căldura provoacă erori în biții cuantici, sau qubiții. Qubiții. unități de informație care pot exista în mai multe poziții simultan, sunt esențiali pentru informatica cuantică.
Cipurile de calculator au devenit din ce în ce mai mici de-a lungul anilor, dar asta înseamnă că imagistica lor a devenit mai dificilă. Este posibil să răcești semiconductorii până la 3 grade Kelvin pentru a le face imagini clare în scopuri de analiză sau control al calității.
"Te uiți la o zonă mică, dar dacă este caldă și se extinde sau se contractă, chiar și puțin, nu vei obține o imagine la fel de clară", spune Dylan Cawman, inginer de vânzări la Advanced Research Systems, o companie care produce echipamente criogenice de răcire pentru o gamă largă de aplicații.
Ştiri video recomandate
