Caros Leitores;
Durante um teste de rotina, dois ímãs HL-LHC inesperadamente ficaram achatados. Foi apenas uma coincidência ou eles tinham um inimigo em comum?
A leitura do medidor de corrente subia gradualmente. Até que não foi. Na verdade, caiu de repente. “Uh-oh”, Giorgio Ambrosio se lembra de ter pensado. "Houston, nós temos um problema."
Ambrosio é um cientista do Fermi National Accelerator Laboratory do Departamento de Energia dos EUA que supervisiona a montagem dos ímãs construídos nos EUA para a atualização de alta luminosidade do Grande Colisor de Hádrons. Ao dobrar o número de prótons dentro do LHC e melhorar a dinâmica do feixe, a atualização aumentará os conjuntos de dados experimentais por um fator de 10. Isso permitirá que os físicos estudem fenômenos físicos raros e aprendam mais sobre a origem da massa e da matéria no universo.
A atualização do HL-LHC precisa de 150 novos ímãs de aceleração. Nos EUA, o Projeto de Atualização do Acelerador LHC está construindo novos ímãs de foco, que comprimirão o feixe pouco antes das colisões e serão duas vezes mais poderosos que seus predecessores.
Mas o novo ímã de foco que Ambrosio e seus colegas americanos estavam testando falhou; o ímã estava morto.
Os eletroímãs de 5 metros de comprimento precisam carregar 16.530 ampères de corrente – quase tanto quanto um raio. Como eles se tornam supercondutores quando resfriados a temperaturas muito baixas, os ímãs podem transportar essa enorme corrente sem gerar calor. Cientistas como Ambrosio introduzem e aumentam gradativamente a corrente para testar e “treinar” os ímãs antes do uso.
Ambrosio e colegas como a colega do CERN, Alice Moros, sabem que “coisas que não funcionam” fazem parte do processo da ciência – especialmente quando se trabalha com tecnologia complexa, única e não disponível comercialmente. "Um ímã, como tudo no mundo, não pode ser perfeito", diz Moros.
Então, a equipe americana colocou o ímã de lado e começou a testar outro. Mais uma vez, a corrente aumentou e, novamente, caiu repentinamente. Eles tentaram reanimá-lo, mas a corrente se recusou a subir: um segundo ímã estava morto.
“O pior é que isso aconteceu duas vezes – em dois ímãs – consecutivamente”, diz Ambrosio. “Parecia estar no Titanic depois de encontrar o iceberg.”
Foram apenas duas infelizes coincidências? Ou uma fraqueza no design dos ímãs estava prestes a afundar todo o projeto de atualização do LHC? Encontrar o culpado era vital: o futuro do programa de pesquisa do LHC dependia disso.
Os suspeitos incomuns
A produção de ímãs de focagem HL-LHC envolve centenas de etapas ao longo de um período de seis meses. O problema pode ter surgido em qualquer parte do processo.
Ambrosio e seus colegas voltaram sua atenção para o primeiro ímã que falhou. Que segredos sua morte prematura poderia revelar? “Iniciamos a investigação imediatamente”, diz Ambrosio.
Suspeito não. 1: o enrolamento do cabo.
Cada bobina magnética consiste em um único cabo, enrolado 50 vezes no sentido do comprimento em torno de um pólo de titânio de 4,2 metros de comprimento. O cabo é delicado porque consiste em 40 fios trançados preenchidos com filamentos quebradiços de nióbio-estanho. Se um desses fios saísse do lugar, poderia criar um ponto de estrangulamento que comprometeria toda a bobina.
Na bobina quebrada, “tivemos que consertar um fio duas vezes durante o enrolamento”, diz Ambrosio. “Então, tivemos a pergunta: o fio se moveu novamente?”
Suspeito não. 2: um atraso inesperado.
Após o enrolamento, os técnicos transformam a bobina bruta em um imã supercondutor funcional e resistente por meio de tratamentos térmicos, aplicação de agentes de ligação e soldagem de componentes. O enrolamento e a cura geralmente levam algumas semanas, mas a vítima era aquela em que estavam trabalhando quando o COVID apareceu pela primeira vez.
“Iniciamos a fabricação da bobina e depois tivemos que parar por 12 semanas”, diz Ambrosio. “Isso é bastante incomum... Mas teve algum impacto?”
Suspeito não. 3: uma simetria quebrada.
Os ímãs de foco eram quadrupolos, o que significa que cada um deles era feito de quatro bobinas separadas encaixadas para formar um cilindro longo e oco. Quando o ímã é ligado em corrente total, as forças eletromagnéticas puxam as extremidades das quatro bobinas com uma força de 100 toneladas.
Isso geralmente é bom: se o ímã for perfeitamente simétrico, as forças serão igualmente equilibradas e a forte estrutura de suporte evita danos ao delicado condutor. Mas e se não tivessem sido?
As estruturas de suporte possuem pequenas folgas de alinhamento para compensar a expansão e compressão do material quando os ímãs são resfriados e aquecidos. Ambrosio e sua equipe viram que as lacunas de alinhamento se fecharam na estrutura de suporte da bobina quebrada, mas permaneceram abertas nas outras três. Isso poderia ter condenado a bobina?
Um fio solto. Um atraso inesperado. Uma simetria quebrada. Ambrosio e sua equipe reuniram provas circunstanciais contra cada suspeito. Mas isso não foi suficiente. Eles precisavam de uma autópsia.
física forense
Alguns meses após o primeiro teste fracassado, um pacote pequeno e pesado chegou à Recepção de Mercadorias do CERN. Seu conteúdo, envolto em espuma, era um pedaço de 20 quilos da bobina quebrada que havia sido extraída do primeiro ímã.
“O paciente está morto”, diz Ambrosio. “Mas queremos aprender para os futuros.”
Cientistas nos EUA analisaram dados de testes e fizeram simulações de computador para determinar onde a falha fatal pode ter ocorrido. Agora era hora de ver se uma pequena equipe de físicos forenses poderia confirmar ou descartar as três principais teorias sobre o que havia dado errado.
O primeiro passo foi enviar a bobina para um laboratório na Alemanha para uma tomografia computadorizada. Assim como os médicos usam tomografias computadorizadas para procurar vértebras deslocadas, a equipe usou tomografias computadorizadas para investigar o suspeito nº. 1: o enrolamento do cabo.
"Parecia bom no nível do cabo, então sabíamos que precisávamos ir mais fundo", diz Mickael Crouvizier, técnico de materiais do CERN.
“Ir mais fundo” permitiria que investigassem os suspeitos nº. 2 e 3. Mas seria mais complicado. Crouvizier e Moros - responsáveis pela análise forense - precisariam cortar a bobina e extrair várias amostras. Rachaduras, arranhões e quaisquer outros defeitos imprevistos introduzidos nesta fase podem contaminar as amostras e comprometer toda a operação.
Crouvizier e Moros usaram um fio cravejado de diamante para cortar lentamente a bobina e dois dias de polimento e preparação para obter as amostras com um acabamento espelhado.
"É muito semelhante à fabricação de relógios", diz Crouvizier.
Depois veio a análise. Segundo Moros, uma das partes mais difíceis do trabalho foi diferenciar entre o dano que matou a bobina e o dano de simplesmente preparar a amostra. Eles tentaram usar inteligência artificial, mas falhou. “Se você tiver arranhões, se tiver oxidação, a IA não poderá reconhecê-lo”, diz Crouvizier. "É um pesadelo."
Eles rapidamente perceberam que a única maneira de obter resultados precisos era fazer a análise à moda antiga: inspecionando visualmente cada mícron das amostras. Crouvizier e Moros passaram vários dias debruçados sobre um microscópio. “Não é tanto o pescoço que dói – são as costas”, diz Moros.
Depois de semanas sem desenterrar nenhuma evidência conclusiva, Ambrosio teve uma ideia.
“Estávamos cortando [a bobina] como salame – perpendicular aos fios – e não encontramos nada”, diz Ambrosio. “Mas e se cortarmos longitudinalmente – ao longo dos fios?”
Os cortes “Salami” são otimizados para procurar trincas que percorrem o comprimento dos fios. Mas danos mais sinistros - um rasgo que rasga um filamento delicado ao meio - geralmente são invisíveis para um corte de salame.
Como os cortes longitudinais atravessam o comprimento do fio, eles podem revelar rasgos muito pequenos. Mas os cortes longitudinais são muito complicados de fazer; Crouvizier e Moros teriam que cortar com muita precisão ao longo de fios submilimétricos sem destruir as evidências que procuravam.
Crouvizier e Moros decidiram tentar.
Depois de algumas semanas, Crouvizier viu algo estranho: um segmento de fio em que cada um dos vários filamentos parecia estar faltando um pedaço.
"Quando vi os primeiros eventos, não tinha certeza se era um artefato do polimento ou outra coisa", diz Crouvizier. "Só depois que repetimos em várias amostras e vimos a mesma coisa é que soube que tínhamos encontrado algo .”
Para ter certeza, eles precisariam repetir a análise, voltando aos cortes do “salame”. “Os cortes do salame tinham que estar perto do ponto de investigação, mas não tão perto que o destruíssem”, diz Ambrosio.
Quando olharam ao microscópio, puderam ver pequenos orifícios onde os fios haviam se rompido e delicados filamentos de nióbio-estanho haviam caído. Cada ponto de dano era cinco vezes menor que a largura de um fio de cabelo humano. No total, eles encontraram centenas de rasgos em um segmento de cabo com menos de 2 milímetros de comprimento.
As lágrimas foram resultado do suspeito nº. 2, o atraso no processo de fabricação da bobina? Ou de suspeito não. 3, uma simetria quebrada durante a montagem final do ímã? A localização do dano era tudo o que eles precisavam para identificar o culpado. Os micro-rasgos estavam todos perto da junta onde os cabos giravam em torno da estrutura de suporte. Segundo Ambrosio, é isso que as simulações de computador previram que aconteceria se a bobina tivesse sido esticada demais devido a uma assimetria.
“Foi a arma fumegante”, diz Ambrosio. “Era suspeito não. 3.”
Mas desconfie que não. 2 não estava fora do gancho. Ambrosio diz que acha que cronogramas e procedimentos modificados podem ter agido como cúmplices. “Por causa do COVID, a forma como esse ímã foi montado mudou”, diz ele. “Não queríamos que as pessoas ficassem próximas, então fizemos com que ficassem mais distantes. Mas é muito mais difícil fazer algo simétrico quando você está distante.”
Felizmente, esses foram os únicos dois ímãs que falharam no processo de teste, e os cientistas puderam aprender com o incidente. “Os ímãs subsequentes têm uma mudança de design e uma mudança de procedimento para evitar esse problema”, diz Ambrosio.
O primeiro ímã também teve uma segunda chance. Como um ímã quadrupolo consiste em quatro bobinas – e porque apenas uma dessas bobinas estava incapacitada – os cientistas conseguiram realizar um transplante e trazer o ímã de volta à vida.
“Colocamos uma nova bobina, testamos novamente o ímã e funcionou muito bem”, diz Ambrosio. “É um passo importante, porque mostra que não é preciso jogar tudo fora. Se acontecer de novo, podemos substituir apenas uma bobina, não todas.
A equipe dos EUA planeja repetir o transplante no outro imã que falhou.
Moros e Crouvizier dizem estar orgulhosos dos resultados da investigação. “Para mim, realmente sinto que meu trabalho é útil”, diz Moros. “Foi super desafiador, mas muito motivador.”
Segundo Ambrosio, a solução desse caso só foi possível graças à dedicação inabalável de Moros, Crouvizier e muitos outros colegas de laboratórios colaboradores em todo o mundo.
“O trabalho em equipe é a chave para o sucesso, mesmo em uma história de detetive”, diz ele.
Para saber mais, acesse os links acima>
Fonte: FERMILAB / Publicação 13-07-2023
https://www.symmetrymagazine.org/article/the-magnet-detectives?language_content_entity=und
Web Science Academy; Hélio R.M.Cabral (Economista, Escritor e Divulgador de conteúdos da Astronomia, Astrofísica, Astrobiologia e Climatologia).Participou do curso (EAD) de Astrofísica, concluído em 2020, pela Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC).
Autor do livro: “Conhecendo o Sol e outras Estrelas” e "Conhecendo a Energia produzida no Sol".
Acompanha e divulga os conteúdos científicos da NASA (National Aeronautics and Space Administration), ESA (European Space Agency) e outras organizações científicas e tecnológicas.
Participa do projeto S`Cool Ground Observation (Observações de Nuvens) que é integrado ao Projeto CERES (Clouds and Earth´s Radiant Energy System) administrado pela NASA. A partir de 2019, tornou-se membro da Sociedade Astronômica Brasileira (SAB), como astrônomo amador.
Participa também do projeto The Globe Program / NASA Globe Cloud, um Programa de Ciência e Educação Worldwide, que também tem o objetivo de monitorar o Clima em toda a Terra. Este projeto é patrocinado pela NASA e National Science Fundation (NSF), e apoiado pela National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) e U.S Department of State.
>Autor de cinco livros, que estão sendo vendidos nas livrarias Amazon, Book Mundo e outras.
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