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Dec 12, 2023

CERN teilt Beampipe-Wissen

Der direkte Nachweis von Gravitationswellen im Jahr 2015 öffnete ein neues Fenster zur

Der direkte Nachweis von Gravitationswellen im Jahr 2015 öffnete ein neues Fenster zum Universum und ermöglichte es Forschern, den Kosmos durch die Zusammenführung von Daten aus mehreren Quellen zu untersuchen. Derzeit sind vier Gravitationswellenteleskope (GWTs) in Betrieb: LIGO an zwei Standorten in den USA, Virgo in Italien, KAGRA in Japan und GEO600 in Deutschland. Derzeit laufen Gespräche über die Gründung eines weiteren Standorts in Indien. Der Nachweis von Gravitationswellen basiert auf der Michelson-Laserinterferometrie mit Fabry-Perot-Kavitäten, die die Ausdehnung und Kontraktion des Raums auf der Ebene von Zehntausendsteln der Größe eines Atomkerns, also 10–19 m, aufzeigt. Trotz der extrem geringen Belastung, die erfasst werden muss, wird durchschnittlich eine Gravitationswelle pro Messwoche gemessen, indem alle möglichen Geräuschquellen, einschließlich seismischer Vibration und Restgasstreuung, untersucht und minimiert werden. Letzteres wird reduziert, indem das Interferometer in einem Rohr platziert wird, in dem Ultrahochvakuum erzeugt wird. Im Fall von Virgo beträgt das Vakuum in den beiden senkrecht zueinander stehenden, 3 km langen Armen des Interferometers weniger als 10-9 mbar.

Während aktuelle Anlagen betrieben und modernisiert werden, konzentriert sich die Gravitationswellen-Community auch auf eine neue Generation von GWTs, die eine noch höhere Empfindlichkeit bieten werden. Dies würde durch längere Interferometerarme sowie eine drastische Reduzierung des Rauschens erreicht, das möglicherweise eine kryogene Kühlung der Spiegel erfordern würde. Die beiden führenden Studien sind das Einstein Telescope (ET) in Europa und der Cosmic Explorer (CE) in den USA. Die Gesamtlänge der für die ET- und CE-Interferometer vorgesehenen Vakuumgefäße beträgt 120 km bzw. 160 km bei einem Rohrdurchmesser von 1 bis 1,2 m. Die erforderlichen Betriebsdrücke sind typisch für moderne Beschleuniger (dh im Bereich von 10–10 mbar für Wasserstoff und sogar noch niedriger für andere Gasarten). Die nächste Generation von GWTs würde daher die größten jemals gebauten Ultrahochvakuumsysteme darstellen.

Die nächste Generation von Gravitationswellenteleskopen würde die größten jemals gebauten Ultrahochvakuumsysteme darstellen.

Die Erzeugung dieser Drücke ist nicht schwierig, da aktuelle Vakuumsysteme von GWT-Interferometern ein vergleichbares Vakuum aufweisen. Die Herausforderung sind vielmehr die Kosten. Wenn die Lösungen der vorherigen Generation übernommen würden, würde das Vakuumrohrsystem tatsächlich die Hälfte der geschätzten Kosten von CE ausmachen und nicht weit von einem Drittel der ET-Kosten, die vom Tiefbau dominiert werden. Um die Kosten von Vakuumsystemen zu senken, müssen im Vergleich zu Anlagen der vorherigen Generation andere technische Ansätze entwickelt werden. Die Entwicklung kostengünstigerer Technologien ist auch ein zentrales Thema für zukünftige Beschleuniger und eine Synergie in Bezug auf Herstellungsmethoden, Oberflächenbehandlungen und Installationsverfahren ist bereits sichtbar.

Im offiziellen Rahmen zwischen CERN und den führenden Instituten der ET-Studie – Nikhef in den Niederlanden und INFN in Italien – teilen die TE-VSC- und EN-MME-Gruppen des CERN ihr Fachwissen in den Bereichen Vakuum, Materialien, Herstellung und Oberflächenbehandlungen mit der Gravitations- Wellengemeinschaft. Die Aktivität begann im September 2022 und wird voraussichtlich Ende 2025 mit einem technischen Designbericht und einem vollständigen Test eines Vakuumbehälter-Pilotsektors abgeschlossen sein. Während des Workshops „Beampipes for Gravitational Wave Telescopes 2023“, der vom 27. bis 29. März am CERN stattfand, trafen sich 85 Spezialisten aus verschiedenen Bereichen der Beschleuniger- und Gravitationswellentechnologie sowie von Unternehmen, die sich auf Stahlproduktion, Rohrherstellung und Vakuumausrüstung konzentrieren, um zu diskutieren der neueste Fortschritt. Die Veranstaltung folgte einer ähnlichen Veranstaltung von LIGO Livingston im Jahr 2019, die wichtige Hinweise für Forschungsthemen gab.

Einen Kurs planen In einer Reihe von Einführungsbeiträgen wurden die grundlegenden theoretischen Elemente zu Vakuumanforderungen und der Stand von CE- und ET-Studien vorgestellt und dabei Initiativen in Vakuum- und Materialtechnologien hervorgehoben, die in Europa und den USA unternommen wurden. Die detaillierte Beschreibung aktueller GWT-Vakuumsysteme bildete den Ausgangspunkt für die Präsentation aktueller Entwicklungen. Um eine effektive Kostenanalyse und -reduzierung durchführen zu können, muss der gesamte Prozess berücksichtigt werden – einschließlich der Rohstoffgewinnung und -aufbereitung, der Fertigung, der Oberflächenbehandlung, der Logistik, der Installation und der Inbetriebnahme im Tunnel. Darüber hinaus sind die Schnittstellen zu den Versuchsbereichen und anderen Dienstleistungen wie Tiefbau, Elektroverteilung und Belüftung von wesentlicher Bedeutung, um die Auswirkungen technologischer Entscheidungen für die Vakuumleitungen abzuschätzen.

Die Auswahlkriterien für die Konstruktionsmaterialien des Rohrs wurden diskutiert, wobei Stahl derzeit das Material der Wahl ist. Ferritische Stähle würden zu einer erheblichen Kostenreduzierung im Vergleich zu austenitischem Stahl beitragen, der derzeit in Beschleunigern verwendet wird, da sie kein Nickel enthalten. Darüber hinaus haben ferritische Stähle dank ihrer kubisch-raumzentrierten Kristallstruktur einen viel geringeren Gehalt an Restwasserstoff – dem ersten Feind bei der Erreichung des Ultrahochvakuums – und erfordern daher keine teuren Festkörperentgasungsbehandlungen. Die billigsten ferritischen Stähle sind „weiche Stähle“, die nach einer Behandlung zur Korrosionsbekämpfung häufig in Gaspipelines verwendet werden. Auch ferritische Edelstähle, die mehr als 12 Gewichtsprozent gelöstes Chrom enthalten, werden für GWT-Anwendungen untersucht. Obwohl die ersten Ergebnisse ermutigend sind, müssen die magnetischen Eigenschaften dieser Materialien berücksichtigt werden, um eine anomale Übertragung elektromagnetischer Signale und der induzierten mechanischen Vibrationen zu vermeiden.

Beim Workshop im März wurden vier Lösungen für die Gestaltung und Herstellung der Rohre und ihres Trägersystems besprochen. Die Basislinie ist ein 3 bis 4 mm dickes Rohr, ähnlich denen, die in Virgo und LIGO im Einsatz sind, mit einigen Modifikationen, um der neuen Tunnelumgebung und strengeren Empfindlichkeitsanforderungen gerecht zu werden. Eine weitere Option ist ein 1 bis 1,5 mm dickes Wellgefäß, das ohne Verstärkung und Faltenbalg auskommt. Darüber hinaus wurden Konstruktionen diskutiert, die auf doppelwandigen Rohren basieren, wobei die Innenwand dünn und leicht zu erwärmen ist und die Außenwand die strukturelle Rolle übernimmt. Ohne die Sauberkeits- und Druckanforderungen, die an das Laserstrahlvakuum gestellt werden, würde zwischen den beiden Wänden ein Isolationsvakuum erzeugt. Die bei Druckübergängen auf die Innenwand wirkenden Kräfte würden durch das Öffnen von Axialbewegungsventilen, die noch nicht vollständig ausgelegt sind, minimiert werden. Schließlich wurde auch eine Gaspipeline-Lösung in Betracht gezogen, die aus einer 1,5 cm dicken Wand aus Weichstahl bestehen würde. Der Hauptvorteil dieser Lösung sind ihre relativ geringen Kosten, da es sich um einen Standardansatz in der Öl- und Gasindustrie handelt. Aus Gründen des Korrosionsschutzes und des Ultrahochvakuums wäre jedoch eine Oberflächenbehandlung auf beiden Seiten der Rohrwände erforderlich. Diese Behandlungen werden derzeit geprüft. Für alle Arten von Designs ist die Integration optischer Ablenkelemente (die eine intermittierende Verkleinerung der Rohröffnung bewirken, um gestreute Photonen zu blockieren) Gegenstand intensiver Untersuchungen, wobei über Optionen für Position, Material, Oberflächenbehandlung und Installation berichtet wird. Ein weiteres heißes Thema ist die Übertragung von Schwingungen vom Tunnelbauwerk auf die Schallwand.

Die Herstellung der Rohre direkt aus Metallcoils und deren Oberflächenbehandlung kann bei Zulieferern oder direkt am Installationsort erfolgen. Der erste Ansatz würde die Kosten für Infrastruktur und Arbeitskräfte senken, während der zweite Ansatz die Transportkosten senken und der globalen Logistik zusätzliche Freiheitsgrade bieten würde, da die Lagerfläche minimiert würde. Die Untersuchung der In-situ-Produktion wurde mit einer konzeptionellen Untersuchung eines Prozesses, der von einer Spule aus Rohre beliebiger Länge direkt in die unterirdischen Bereiche liefern könnte, an ihre Grenzen gebracht: Die Metallspule kommt im Tunnel an; Anschließend wird es in einer speziellen Maschine installiert, die das Coil abwickelt und das Metallblech verschweißt, um das Rohr beliebiger Länge zu formen.

Diese Themen werden in den kommenden Monaten weiterentwickelt und die Ergebnisse in einen umfassenden technischen Entwurfsbericht einfließen. Dieser Bericht wird eine detaillierte Kostenoptimierung enthalten und in einem Pilotsektor am CERN validiert werden. Da das Projekt noch knapp zweieinhalb Jahre dauert, wird sein Erfolg erhebliche Anstrengungen und entschlossene Motivation erfordern. Der Optimismus, der durch die Begeisterung und den kooperativen Ansatz aller Teilnehmer des Workshops geweckt wurde, ist daher sehr ermutigend.