Aceleradores de partículas multivoltas gastam uma fração da energia

Redação do Site Inovação Tecnológica - 17/03/2023

Este é o acelerador experimental no qual a equipe está desenvolvendo o conceito de multivoltas com recuperação de energia.
[Imagem: Schliessmann et al. - 10.1038/s41567-022-01856-w]

Recuperação de energia

Os aceleradores de partículas são maquinários que usam campos eletromagnéticos para acelerar partículas e colidi-las entre si ou contra um alvo específico. Esses aparelhos são amplamente utilizados para estudar as partículas, as forças que as impulsionam e as interações entre elas.

Os maiores e mais avançados aceleradores de partículas do mundo, como o LHC, consomem quantidades enormes de energia, o que tem gerado uma oposição dentro da própria comunidade científica à construção de aceleradores de partículas cada vez maiores.

Mas uma equipe da Universidade Técnica de Darmstadt, na Alemanha, está introduzindo uma nova técnica que retém a energia total de um feixe de partículas e ainda consome significativamente menos energia.

O conceito envolvido é conhecido como "recuperação de energia", que basicamente consiste em reciclar a energia depois de cada experimento de colisão.

"O conceito de recuperação de energia em aceleradores de partículas não é novo, mas está em desenvolvimento contínuo," explicou Manuel Dutine, membro da equipe. "Para alcançar energias de feixe mais altas com necessidades de recursos reduzidas, o conceito de recuperação de energia deve ser combinado com aceleração multivoltas, que foi o objetivo da nossa pesquisa."

No modo convencional, o feixe seria descarregado em alta energia após ter sido usado para um experimento (6), onde a energia armazenada no feixe de elétrons seria desperdiçada. No modo de recuperação de energia, o feixe de elétrons é desacelerado (7)-(10) e então despejado em baixa energia (11). Durante a desaceleração, a energia é recuperada nas cavidades do acelerador linear principal. A energia recuperada é então reciclada acelerando os grupos de elétrons subsequentes. Ao passar duas vezes pelo acelerador principal (múltiplas voltas), podem ser alcançadas energias de feixe mais altas.
[Imagem: Schliessmann et al. - 10.1038/s41567-022-01856-w.]

Aceleração multivoltas

Os aceleradores aceleram feixes, que são essencialmente um grande conjunto de partículas, e esse processo inevitavelmente consome energia. Um feixe acelerado de alta energia pode colidir com um alvo em repouso, com outro feixe de partículas ou mesmo com a luz laser, resultando em reações que podem então ser estudadas.

As reações de interesse, no entanto, são muito raras, e a maioria das partículas em um feixe acaba não interagindo com nada durante um experimento. É aí que entra o conceito de multivoltas, aproveitando a energia que está circulando no acelerador para impulsionar o próximo feixe.

"Em um acelerador convencional, o feixe restante é despejado em alta energia e a energia é desperdiçada," contou Dutine. Em um acelerador com recuperação de energia, por sua vez, o feixe é desacelerado em pacotes. "A energia é temporariamente armazenada nos campos de micro-ondas nas estruturas de aceleração e pode depois ser usada para acelerar os próximos feixes de baixa energia," acrescentou o pesquisador.

Recuperação de 87% da energia

O acelerador experimental desenvolvido pela equipe obteve resultados muito promissores.

"Ao medir a economia de energia, demonstramos que o conceito de recuperação de energia multivoltas funciona," disse Dutine. "Medimos uma recuperação de até 87% da potência de feixe consumida no acelerador principal. Essa economia de energia é financeiramente relevante para feixes com potência de gigawatt ou pode ajudar a reduzir a pegada de consumo de energia para instalações de grande porte."

A expectativa da equipe é que seu conceito seja aproveitado no projeto dos futuros aceleradores de partículas, que poderão se tornar mais eficientes.

Outra abordagem está no desenvolvimentos dos miniaceleradores de partículas, que prometem chegar a equipamentos que cabem sobre uma mesa.

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