balkanxvijesti.com
Related Articles
Jedan od najsofisticiranijih znanstvenih objekata na svijetu okreće se ultraniskim temperaturama kako bi pokušao otkriti skrivene tajne našeg Svemira.
To je jedna od najpoznatijih znanstvenih instalacija na svijetu – i dobiva sjajno unapređenje. Fizičari koriste Veliki hadronski sudarač (LHC), zakopan u zemlji na granici između Francuske i Švicarske, kako bi otkrili tajne sitnih čestica koje čine naš Svemir. LHC radi tako što sudara neke od tih čestica jednu s drugom i promatra što se događa kada se sudare.
Do 2030-ih, LHC – koji je izgradila Europska organizacija za nuklearna istraživanja (Cern) – proizvest će mnogo više ovih sudara. Ideja je dobiti još preciznija mjerenja subatomskih čestica koje rezultiraju tim udarima. Ako bilo kakva mjerenja ikada odstupe od vrijednosti definiranih takozvanim Standardnim modelom fizike, tada ćemo „znati da mora postojati neka nova fizika“, kaže Martin Aleksa, tehnički koordinator eksperimenta Atlas u Cernu. „To je veliki cilj LHC-a.“
No, iznenađujuće, ovo pionirsko istraživanje koje istražuje zamršenost same materije ovisi, barem djelomično, o tehnologiji koja se koristi i u hladnjacima supermarketa. Niske temperature cijene mnogi znanstvenici. Hladni eksperimenti mogu usporiti subatomske čestice ili stabilizirati materijale na način koji ih čini lakšim za proučavanje, na primjer. To se događa kada se znanost ohladi.
„[Želimo] biti jedan od tehnoloških lidera s ovim izmjenjivačem topline pa smo ga počeli razvijati zajedno s Cernom“, kaže Stefan Brohm, glavni poslovni inženjer u Swepu, proizvođaču izmjenjivača topline – uređaja koji prenose toplinu iz jedne tekućine u drugu, na primjer. Različite vrste izmjenjivača topline koriste se u hladnjacima, toplinskim pumpama, automobilima, pa čak i zrakoplovnim motorima za prijenos topline. U ovom slučaju, Swepovi izmjenjivači topline će – nakon što nadogradnja LHC-a bude završena – pomoći u hlađenju dijelova LHC-ovog Atlas eksperimenta na -45°C (-49°F) u nastojanju da se smanji elektronička buka povezana sa zračenjem, objašnjava Aleksa.
Specifični izmjenjivač topline koji je Swep razvio za nadogradnju LHC-a omogućuje korištenje ugljikovog dioksida kao rashladnog sredstva. Iako je staklenički plin, ugljikov dioksid je mnogo manje potentan od rashladnog sredstva korištenog u prethodnom sustavu, pa je promjena poboljšanje u smislu održivosti.
Drugi dijelovi LHC-a zahtijevaju mnogo niže temperature od Atlasa.
Nakon što je razvio novi izmjenjivač topline za Cern, Swep kaže da isti uređaj ima primjenu i u industrijskom i komercijalnom hlađenju – poput rashladnih ormarića u supermarketima. “To otvara mogućnosti za druge sustave”, kaže Brohm. Razne druge tvrtke zasebno su razvile vlastitu tehnologiju izmjenjivača topline s ugljikovim dioksidom kao dio općeg trenda prema rashladnim sredstvima koja manje štete klimi.
Yifeng Yang, direktor Instituta za kriogeniku unutar inženjerstva i fizikalnih znanosti na Sveučilištu u Southamptonu u Velikoj Britaniji, kaže da mnogi hladnjaci, uključujući i dio rashladne opreme na LHC-u, koriste ciklus kompresije pare, u kojem rashladno sredstvo apsorbira toplinu, a zatim se komprimira, što povećava njegov tlak i temperaturu tako da se toplina može prenijeti negdje drugdje. Radeći to iznova i iznova, možete ohladiti sobu – ili divovski eksperiment.
No, drugi dijelovi LHC-a zahtijevaju mnogo niže temperature od Atlasa – ta područja sudarača su među najhladnijim mjestima na Zemlji. Primjerice, više od 1000 elektromagneta razasutih oko instalacije hladi se na zapanjujućih 1,9 Kelvina (-271 °C). Ispod 10 Kelvina (-263 °C), zavojnice od niobija i titana u srcu elektromagneta LHC-a postaju supravodiči – što znači da propuštaju električnu energiju bez otpora. To osigurava da se ne pregrijavaju.
Postizanje takvih temperatura traje tjednima i oslanja se na postupno hlađenje tekućeg helija u različitim fazama dok se ne postigne ciljana temperatura od 1,9 Kelvina (-271 °C). To je hladnije čak i od maglice Bumerang, najhladnijeg poznatog prirodnog mjesta u Svemiru.
Jedna ključna tehnologija koju znanstvenici koriste za postizanje super niskih temperatura, a koja se također oslanja na helij, naziva se dilucijsko hlađenje. Koristi dva izotopa helija: helij-4 i helij-3 – brojevi se odnose na broj protona i neutrona u jezgri svakog atoma. Helij-4 se koristi u balonima za zabave, dok je helij-3 jedna od najskupljih tvari na svijetu. Njegova cijena varira, ali litra može koštati tisuće funti, kaže Richard Haley, profesor fizike niskih temperatura na Sveučilištu Lancaster u Velikoj Britaniji.
Niske temperature uzrokuju da se helij-3 uglavnom odvoji od helija-4 i pluta na njemu, pomalo poput ulja na vodi. Kada se neki atomi helija-3 zatim pumpaju prema dolje u područje uglavnom atoma helija-4 ispod njih, oni apsorbiraju toplinu u tom procesu, što ima snažan učinak hlađenja. Haley kaže da je to pomalo poput “isparavanja naopako” – svojevrsne obrnute verzije onoga što se događa kada se molekule tekuće vode pretvore u paru i podignu iz šalice kave. Isparavanje te vode zahtijeva energiju, zbog čega ovaj proces postupno hladi napitak.
Ako nešto ohladite na temperaturu na kojoj nikada prije nije bilo, moglo bi učiniti nešto zanimljivo – Richard Haley
Za razliku od vaše kave, hlađenje razrjeđivanjem može dosegnuti nevjerojatno niske temperature, čak i do 5-10 milikelvina.
Fizika ultraniskih temperatura je “granično područje”, kaže Haley. “Ako nešto ohladite na temperaturu na kojoj nikada prije nije bilo, moglo bi učiniti nešto zanimljivo.” Znanstvenici su čak koristili niske temperature kako bi usporili svjetlost s njezine uobičajene brzine od 1,08 milijardi km/h na samo 61 km/h – gdje bi znatno zaostajala za automobilima koji putuju ograničenjem brzine na britanskoj autocesti.
Više poput ovoga:
- ‘Vrlo veliki’ hadronski sudarač
- Što je postojalo prije Velikog praska?
- Koliko hladno postaje kada napustimo Zemlju?
Neki znanstvenici koriste postavke ultraniskih temperatura kako bi, na primjer, proučili kako se Svemir mogao ponašati nakon Velikog praska. A hladnjaci za razrjeđivanje ključni su i za kvantna računala. Veliki, zlatni uređaji nalik lusterima koje ponekad vidite na slikama kvantnih računala su hladnjaci za razrjeđivanje koji omogućuju kvantno računanje, objašnjava Haley. Super niske temperature su neophodne jer toplina uzrokuje pogreške u kvantnim bitovima ili kubitima. Kubiti – jedinice informacija koje mogu postojati na više pozicija odjednom – bitne su za kvantno računanje.
Postoje i druge inženjerske primjene. Računalni čipovi su tijekom godina postajali sve manji i manji, ali to znači da je njihovo snimanje postalo teže. Moguće je ohladiti poluvodiče na samo tri Kelvina kako bi se snimile oštre slike za analizu ili kontrolu kvalitete. “Gledate malo područje, ali ako je toplo i širi se ili skuplja, čak i malo, neće vam dati tako jasnu sliku”, kaže Dylan Cawman, prodajni inženjer u Advanced Research Systems, tvrtki koja proizvodi kriogenu opremu za hlađenje za niz primjena.
Dakle, ako ste ikada razmišljali o fotografiji kao metodi zamrzavanja nečega u vremenu – pa, ovo bi mogla biti najekstremnija verzija toga o kojoj ćete ikada čuti.
