Um vácuo tão vazio quanto o espaço interestelar

Caros Leitores;

Com o primeiro start-up de feixes em 2008, o Large Hadron Collider (LHC) se tornou o maior sistema operacional de vácuo do mundo. Ele opera em uma variedade de níveis de pressão e usa uma impressionante variedade de tecnologias de vácuo.

Um sistema de vácuo três em um

O LHC é incomum porque tem três sistemas de vácuo separados: um para os tubos do feixe, um para isolar os ímãs resfriados criogenicamente e um para isolar a linha de distribuição de hélio.

Para evitar colisões com moléculas de gás dentro do acelerador, os feixes de partículas no LHC devem viajar em um vácuo tão vazio quanto o espaço interestelar. Nos criomagnetos e na linha de distribuição de hélio, o vácuo serve a um propósito diferente. Aqui, ele atua como um isolante térmico, para reduzir a quantidade de calor que vaza do ambiente de temperatura ambiente ao redor para as partes criogênicas  que são mantidas a 1,9 K (-271,3 °C).

O maior sistema de vácuo do mundo

Com um total de 104 quilômetros de tubulação sob vácuo, o sistema de vácuo do LHC está entre os maiores do mundo. O vácuo isolante, equivalente a cerca de 10 -6 mbar, é composto por impressionantes 50 km de tubulação, com um volume combinado de 15.000 metros cúbicos, mais do que suficiente para encher a nave de uma catedral. A construção deste sistema de vácuo exigiu mais de 250.000 juntas soldadas e 18.000 selos de vácuo. Os 54 km restantes de tubos sob vácuo são os tubos de feixe, através dos quais os dois feixes do LHC viajam. A pressão nesses tubos é da ordem de 10 -10  a 10 -11 mbar, um vácuo quase tão rarefeito quanto o encontrado na superfície da Lua. Os sistemas de vácuo do LHC são equipados com 170 medidores de ionização Bayard-Alpert e 1084 medidores Pirani e Penning para monitorar a pressão do vácuo.

Um vácuo mais fino que o vazio interestelar

Ultra-alto vácuo é necessário para os tubos nos quais os feixes de partículas viajam. Isso inclui 48 km de seções de arco, mantidas a 1,9 K, e 6 km de seções retas, mantidas à temperatura ambiente, onde os sistemas de controle de feixe e as regiões de inserção para os experimentos estão localizados.

Nos arcos, o vácuo ultra-alto é mantido pelo bombeamento criogênico de 9000 metros cúbicos de gás. À medida que os tubos de feixe são resfriados a temperaturas extremamente baixas, os gases condensam e aderem às paredes do tubo de feixe por adsorção. Pouco menos de duas semanas de bombeamento são necessárias para reduzir as pressões abaixo de 1,013 × 10 -10 mbar (ou 10 -13 atmosferas).

Duas características importantes do projeto mantêm o vácuo ultra-alto nas seções de temperatura ambiente. Primeiramente, essas seções fazem uso generalizado de um "revestimento getter" não evaporável – desenvolvido e industrializado no CERN – que absorve moléculas residuais quando aquecido. O revestimento consiste em um revestimento fino de liga de titânio-zircônio-vanádio depositado dentro dos tubos do feixe. Ele atua como um sistema de bombeamento distribuído, eficaz para remover todos os gases, exceto metano e gases nobres. Esses gases residuais são removidos pelas bombas de íons 780.

Em segundo lugar, as seções de temperatura ambiente permitem o "bakeout" de todos os componentes a 300°C. O bakeout é um procedimento no qual as câmaras de vácuo são aquecidas de fora para melhorar a qualidade do vácuo. Esta operação precisa ser realizada em intervalos regulares para manter o vácuo na baixa pressão desejada.

Embora essas tecnologias tenham sido desenvolvidas para pesquisa fundamental, elas encontraram aplicações cotidianas: a tecnologia de ultra-alto vácuo possibilitou uma grande melhoria no desempenho dos painéis coletores solares térmicos, por exemplo.

vácuoengenharia

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Fonte: CERN  /    / Publicação 09/11/2024

https://home.cern/science/engineering/vacuum-empty-interstellar-space

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Web Science Academy; Hélio R.M.Cabral (Economista, Escritor e Divulgador de conteúdos de Economia, Astronomia, Astrofísica, Astrobiologia Climatologia). Participou do curso (EAD) de Astrofísica, concluído em 2020, pela Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC).

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