CO₂-Pumpen kühlen LHC Was die Welt im Innersten zusammenhält: Europäische Spitzenforschung - mit Pumpen aus Schwaben

Europas größtes Forschungsprojekt untersucht fundamentale Fragen der Physik. Mit dabei: Pumpen aus Schwaben – Spitzenforschung braucht Spitzenmaterial. Wenn Forscher am Cern die letzten Rätsel der Teilchenphysik entschlüsseln wollen, spielt der leistungsstärkste Teilchenbeschleuniger der Welt eine entscheidende Rolle. Teil seines Geheimnisses ist ein ausgeklügeltes CO₂-Kühlsystem, das ganz besondere Anforderungen an die benötigten Pumpen stellt.

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Mit einem Umfang von 26,7 km und etwa 9600 Magneten ist der Große Hadronen-Speicherring, der Large Hadron Collider (LHC), der bisher größte und aufwändigste Teilchen­beschleuniger der berühmten Forschungseinrichtung Cern. Dort soll er helfen, fundamentale Fragen der modernen Physik, wie die nach dem Ursprung der Materie, zu beantworten.

Das „Large Hadron Collider beauty“-(LHCb), das „A Toroidal LHC ApparatuS“ (ATLAS) und das Compact Muon Solenoid (CMS)-Experiment sind drei der vier Experimente, an denen derzeit am LHC geforscht wird. Um präzise Messungen zu erzielen, werden Silizium-Detektoren in unmittelbarer Nähe des Interaktionspunkts aller Experimente montiert. Kohlenstoffdioxid-Kühlanlagen kühlen die innersten Schichten dieser Detektoren auf bis zu -40 °C herunter.

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Dazu werden im LHCb-Experiment seit 2007 Membrandosierpumpen der Firma Lewa eingesetzt, um den für eine konstante Kühlung notwendigen gleichmäßigen Volumenstrom zu gewährleisten. Zwei ähnliche Systeme regeln seit Anfang 2015 das Temperaturmanagement des IBL-Subdetektors des „TALS“-Experiments. 2016 wurde für ein Upgrade des CMS-Pixel-Detektors ein neues CO₂-Kühlsystem mit einer Lewa-Remote-Head-Dosierpumpe gebaut. Anders als Standardpumpen können diese das stark komprimierte CO₂ ohne Wärmeeintrag fördern.

Nicht zu heiß, nicht zu kalt: Typische Probleme mit Kühlsystemen

Dabei ist der Pumpenkopf in rostfreiem 1.4571-Edelstahl mit Kühlmantel ausgeführt. Die Übertragung der Verdrängerbewegung erfolgt durch die oszillierende Bewegung in einer der Verbindungsleitung enthaltenen Flüssigkeitssäule. Dadurch hält die Konstruktion kritische Bedingungen vom Verdrängersystem fern. Zudem wird eine Erhitzung des CO₂ oder eine Abkühlung des Öls verhindert, was zur Blasenbildung führen und eine Einstellung der Pumpenaktivität bedeuten würde – ein Problem, das bei Standardpumpen häufig auftritt.

Schließlich muss in der zweiphasigen Kühlung das CO₂ nahe am Siedepunkt sein, da es dazu neigt, an warmen Teilen der Pumpe zu verdampfen. Das ist besonders wichtig, da die Forscher noch viel vorhaben: Ab dem Jahr 2015 soll die Kollisionsenergie im LHC, der während des ersten Laufs mit 7 TeV betrieben wurde, zunächst auf 13, später sogar auf 14 TeV gesteigert werden. Die Vielzahl an Kollisionen, die dabei aufgezeichnet werden sollen, erfordert einen leistungsfähigeren Detektor mit besserer Kühlleistung, erklären die Experten.

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