LEWA-Pumpen unterstützen CO2-Kühlsysteme für die Upgrades der Detektoren im CERN

Das neue Kühlsystem für die Detektoren ist Teil des "Phase 2 Upgrade" am CERN, mit dem die Luminosität (Kollisionsrate) des LHC um das Zehnfache erhöht werden soll. Damit sollen neue Entdeckungen ermöglicht werden, insbesondere in Bereichen wie dunkler Materie und der grundlegenden Natur des Higgs-Teilchens oder „Gottesteilchens“.

Der Large Hadron Collider ist der leistungsstärkste Teilchenbeschleuniger der Welt und liegt tief unter der Schweizer Erde. Er besteht aus einem rund 27 Kilometer langen Ringtunnel mit vier Messstellen, darunter die Detektoren ATLAS und CMS. ATLAS ist mit einer Länge von 46 Metern und einem Durchmesser von 25 Metern der größte Detektor des LHC, während CMS mit einem Gewicht von 12.500 Tonnen der schwerste Detektor ist. Diese Detektoren zeichnen mit Präzisionsmessungen die Bahn, den Impuls und die Energie der freigesetzten Teilchen auf, so dass sie nach der Kollision der beschleunigten Protonen einzeln identifiziert und gemessen werden können.

Betriebstemperaturen von bis zu -55 °C sind notwendig, um die Präzision zu erhalten und sicherzustellen, dass die neuen Siliziumsensoren nicht durch hohe Strahlungsdosen beschädigt werden. Jérôme Daguin, Cooling Engineer und CMS Cooling Coordinator am CERN, erklärte: „ATLAS und CMS verwenden künftig ein Zwei-Phasen-CO2-Kühlsystem für alle ihre Silizium-Spurdetektoren und Endkappenkalorimeter-Detektoren, was im Vergleich zu anderen geeigneten Kühlmitteln eine umweltfreundliche Option darstellt. Das System ermöglicht eine hohe Wärmeübertragung bei niedriger Viskosität und einen Temperaturbereich, der für den Betrieb des Detektors gut geeignet ist.“

Erfüllung der Spezifikationen des CERN
„Die Liste der Anforderungen war ziemlich ambitioniert und erforderte einige sehr spezielle Anpassungen, die wir während der Entwicklung des Prototyps vornahmen“, so Wieland Wolff, Vertriebsgebietsleiter der LEWA Switzerland AG.

Die extrem niedrigen Betriebstemperaturen stellten eine besondere Herausforderung dar. So darf beispielsweise das Triebwerk der Pumpe nicht mit dem extrem kalten CO2 in Berührung kommen. Dies erforderte ein spezielles Remote-Design, bei dem der Ventilkopf getrennt vom Verdrängersystem der Pumpe installiert wurde. Es wurde ein spezielles Silikonöl benötigt, für das geeignete Dichtungen gefunden werden mussten. Es wurde ein größerer Membran-Pumpenkopf spezifiziert, um die mechanische Belastung und das Risiko von Rissen oder Brüchen in der Membran zu verringern, die sonst durch die Kälte spröde werden könnte. Da das Kühlmittel und das Hydrauliköl im Pumpenkopf lediglich durch die dünne PTFE-Membran getrennt sind, musste sichergestellt werden, dass das Öl für die niedrige Temperatur geeignet ist und nicht gefriert. Außerdem darf die weitergeleitete Temperatur am Triebwerk nicht unter -20 °C fallen. Die LEWA Ingenieure berücksichtigten diese Anforderung durch Hinzufügen einer Pendelleitung, in der sich das Hydrauliköl erwärmen kann, damit das CO2 mit einer Temperatur von -55 °C nicht das Triebwerk erreicht.

Damit die CO2-Warnmelder nach Installation vor Ort nicht versehentlich ausgelöst werden, wurden die hermetisch dichten Aggregate an den Flanschanschlüssen und kritischen Stellen wie den Linsendichtungen zusätzlich mit PTFE beschichtet. Dadurch wird verhindert, dass CO2 austritt, was zu einer Evakuierung und somit zum Stillstand des gesamten Systems führen würde. Darüber hinaus wurden Triebwerk und Antriebskopf modifiziert, um geeignete Messpunkte für die CERN-Instrumente bereitzustellen.

LEWA-Pumpen treiben das neue Kühlsystem an
Für die Kühlung der Detektoren ATLAS und CMS sind insgesamt 18 LEWA ecoflow LDG-Pumpen im Einsatz. Sie sind in den Servicekavernen installiert, außerhalb des Strahlungs- und Magnetfeldbereichs der Kavernen für die Experimente. So können die LEWA-Pumpen über elektrische Hubverstellung und einen Frequenzumrichter vom Kontrollraum aus gesteuert werden, ohne dass die Mitarbeiter sie direkt bedienen müssen.

Nach Abschluss des Projekts im Jahr 2028 werden die installierten Pumpen die Elektronik und die Siliziumsensoren in den LHC-Detektoren über ein komplexes Netzwerk aus Übertragungsleitungen, Sammlern zur Verteilung und kleine Kühlrohre kühlen, die mit den Siliziumsensoren in Kontakt sind. „Sie sind das Kernelement der Kühleinheiten für die Siliziumdetektoren des „Phase 2 Upgrade“ der Experimente mit ATLAS und CMS am CERN“, erklärt Daguin.

Für die LEWA Pumpenexperten geht die Suche nach Antworten jedoch weiter: „Wir wollen gemeinsam mit den Experten vor Ort Biegewechselversuche durchführen, um die Standzeiten der Pumpenmembranen im Dauerbetrieb lückenlos untersuchen zu können. Diese Anregung kam vom CERN und unterstreicht die hervorragende Zusammenarbeit und unser gemeinsames Ziel, dass alle Beteiligten von dem Projekt profitieren sollen“, so Wolff abschließend.