Giusto per tenervi informati. Oggi alle 15 LHC farà l'ultimo test accensione dei magneti previsto prima dello shutdown invernale: si tratta veramente dell'ultima occasione nel 2008 in cui i settori verranno alimentati a 7 kA, poi l'elio verrà tolto dappertutto e il macchinone andrà in letargo fino alla prossima primavera (riparazioni permettendo). A proposito, la settimana scorsa il settore 12 - quello che mostrerebbe qualche sintomo di quelli potenzialmente correlati all'incidente al settore 34 di beneamata memoria - é stato testato per bene e a fondo: nessun problema o danno evidente, ma onestamente non so dirvi di piu. Qui comincia a fare freddo, e i macchinisti sono molto abbottonati di questi tempi.
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Ho alcune curiosità, Marco.
Questa enorme quantità di elio dove andrà immagazzinata?
Inoltre, verrà tenuta a rigime di superfluidità?
E in futuro, quando LHC andrà (si spera) a regime, nelle pause stagionali tra un run e l'altro (immagino che siano previsti fermi abbastanza lunghi almeno per i mesi invernali) l'elio verrà mantenuto superfluido o si spegneranno anche tutti gli apparati criogenici?
Viene impiegato un isotopo particolare di He oppure si può usa il mix He3/He4 che si trova in natura?
..ma dopo aver risposto a tutte le domande.. vince qualcosa? 😛
Connie sono un po' spaccapalle, lo ammetto. Ma queste informazioni, per chi come me non è dentro l'esperimento, sono difficili da trovare... e io sono curioso (e anche per chi ci è dentro non è scontato conoscere tutti i dettagli tecnici e logistici della macchina acceleratrice. L'ho chiesto poco fa a un tipo di LHCb e ha risposto: "e che ne so, io faccio analisi"...: - ) ...
La mia voleva essere una battuta fine a se stessa.. lungi da me giudicare o altro.. La tua curiosità (che ormai è diventata la mia..) è più che lecita!
E che ne so? Io faccio analisi 😛
Scherzi a parte, nessuno sa veramente tutto in questo mondo, le informazioni sono troppo e difficilmente uno che lavora per un esperimento ne sa a sufficienza sulla macchina (e viceversa) per soddisfare tutte le curiosità. Ciò non toglie che pero un po' di "cultura generale" non guasti (e che cosa penso di quelli che a LHC "fanno solo analisi", se tieni conto che di dati veri non ce ne sono ancora, l'ho già detto altrove). Un buon fisico non può sapere tutto, ma dovrebbe almeno sapere dove andare a cercare tutto.
Nel caso delle tue domande, nemmeno io conosco le risposte esatte, e posso solo provare a speculare. Credo che l'elio venga riscaldato: costa troppo tenerlo superfluido, e non credo abbiamo un altro posto adatto dove mantenerlo cosi` oltre a LHC stesso. Il che non vuol necessariamente dire che lo riporteranno a temperatura ambiente.
In ogni caso, penso che tu possa sfogare le tue curiosità leggendo questo articolone qui:
http://www.iop.org/EJ/article/1748-0221/3/08/S08001/jinst8_08_s08001.pdf
Buona fortuna (lo so che non ti piacciono gli articoli lunghi, ma mi sa che nella strada verso la conoscenza non c'è scampo, né scorciatoia ;-P ).
Ciao Marco, ti avevo lasciato una domanda nel post sull'incidente all'LHC, forse non l'hai visto. Te lo riporto qui così se hai tempo puoi dargli un'occhiata se vuoi.
"QL - 1 Novembre 2008
Ehi Marco, ho trovato qualcosa che probabilmente potrebbe interessare ai tecnici che hanno ideato, progettato e ordinato i magneti dell’LHC. Probabilmente ai tempi di inizio costruzione dell’acceleratore non se ne aveva ancora notizia quindi l’unica risorsa disponibile erano i superconduttori superraffreddati, ma quanto elio, tempo e soldi avrebbero risparmiato ORA che a quanto pare gli americano sono riusciti a creare i primi superconduttori a temperatura ambiente, da loro stessi chiamati “ultraconduttori”?
Questo filmato caricato su youtube che parla dei polimeri ultraconduttori sembra confermare che sono finalmente arrivati a una delle più importanti conquiste tecnologiche della storia umana:
http://it.youtube.com/watch?v=4ZBobLfUiik&NR=1
C’è anche un sito web relativo che ne parla:
http://www.ultraconductors.com
Che dici, secondo te è tutto vero o è l’ennesima bufala o esagerazione?"
L'ho visto, l'ho visto, non temere 🙂 Solo non ho avuto il tempo di andare a verificare di che si tratta e farmi un'idea. Sai, durante il giorno lavoro, e la notte... dormo 🙂 Dunque, nessuna garanzia... non riesco, posso (e voglio) stare dietro a tutto.
In realta`, dal logbook dell'operazione sembrerebbe che il settore 12 sia stato testato solo fino a 5kA (il 30 ottobre). Nel settore 34 l'incidente e` avvenuto a 9kA (stando a quanto si legge nel rapporto ufficiale), mentre la corrente equivalente a 12 TeV e` piu` o meno 12 kA.
E chi e` che vuole tirare i magneti a 12 TeV?!?
Scusa lo sbaglio, volevo dire 7 TeV
@QL:
posso solo "pseudo-confermare" da esterno: materiali polimerici (non metallici) basati su nanotecnologie possono effettivamente essere superconduttori a temperature superiori a 100K (anche MOLTO superiori a 100K...). Non hanno proprietà strutturali, almeno non quelli di cui ho sentito parlare (o letto) io, quindi rispetto ad un avvolgimento "classico" ultra-raffreddato pongono ulteriori problemi di "sostentamento", chiamiamolo così.
A dire la verità non sono una trovata statunitense. Guarda guarda ma guarda un po', l'idea è italiana. Però non verrà mai citata come tale, per ovvissimi motivi.
Oltre a questi, ci sono anche materiali superconduttori tra i 10 e i 50K, che sostanzialmente sono classificabili come "ceramici". Sono noti dai primi anni '90, direi, 1992 o giù di lì, poi sono stati accantonati non ricordo perché, forse perché quelli "nano-tecnologici" bussavano alle porte...
Saluti.
O forse perchè quelli ceramici erano meno maneggevoli di quelli polimerici, immagina dover fare un avvolgimento con quelli ceramici e immagina quanto possono diventare fragili rispetto quelli metallici alla temperatura dell'azoto liquido...
Inoltre la vera conquista è riuscire a creare materiali superconduttori a temperatura più prossima possibile ai 20 °C canonici, cosa che finalmente permetterebbe di abbandonare la necessità di utilizzare temperature così basse, motivo per cui tra l'altro suggerivo di prendere in esame quel link. Considerate tutte le notevoli complicazioni, i rischi (e gli smodati costi!) che causa il maneggiare l'elio liquido superfluido, pensavo che forse i capoccioni che stanno a capo di tutto il progetto avrebbero potuto prendere in considerazione l'ipotesi di sostituire l'avvolgimento dei magneti (visto che ora sono a temperatura ambiente e quindi maneggiabili e che ci sarebbe anche il tempo visto che staranno spenti tutto l'inverno) con uno realizzato ad "ultraconduttori". Il soldi risparmiati sull'acquisto, mantenimento e rabbocco delle innumerevoli tonnellate di elio liquido nonchè quelli recuperati attraverso la rivendita delle pompe, sistemi di raffreddamento e tutto l'ambaradan che sta dietro alla refrigerazione degli attuali avvolgimenti, e addirittura dello stesso elio sarebbero secondo me più che sufficienti per acquistare il polimero per le nuove bobine. Oltretutto nel malaugurato caso di nuovi guasti ai magneti sarebbe possibile intervenire in un arco di tempo molto più breve che non allo stato attuale. Si insomma, se quel materiale permette di sostenere i livelli di corrente necessari alla sperimentazione perchè non avanzare coraggiose proposte di innovazione? Non è forse stato fin dall'inizio proprio l'LHC uno dei pochi progetti a precorrere i tempi nella ricerca tecnologica?
Wait, wait, wait... posso ovviamente sbagliare, ma non mi risulta ancora alcun processo produttivo industriale in grado di realizzare l'oggetto che serve (il magnete superconduttore) usando superconduttori polimerici. Quindi per ora, e a meno che mi sbagli clamorosamente, ciò che serve per l'LHC non esiste né con superconduttori ceramici, né con superconduttori polimerici, cosa che del resto è abbastanza evidente nel sito linkato: le applicazioni attuali riguardano l'ingegneria dei FILMS, quindi per magneti and company ho idea che siamo lontani (arriveranno probabilmente molto prima applicazioni per i processori e l'elettronica di controllo, visto che quei materiali possono essere "plasmati" a piacimento per farne conduttori, isolanti o semiconduttori: quando conducono, comunque, lo fanno con resistività bassissime.
Bye
Era più o meno quello che pensavo: una cosa è produrre un materiale superconduttore, un'altra utilizzarlo per farne un magnete (con i requirements di LHC, per esempio).
Il problema principale dei superconduttodi ceramici non e', a quanto mi risulta, la loro fragilita' (risolvibile quasi al 100% con tecniche di plasma-coating di fili metallici (in sintesi, ricopertura tramite una pellicola sottile di fili in metallo normale).
Il vero problema e' che sono superconduttori di secondo tipo (vedere la solita wiki, ad esempio) che come principali difetti hanno di perdere la superconduttivita' in presenza di un campo magnetico oltre un certo livello o di una corrente eccessiva, cosa che ne annulla gran parte dei vantaggi come superconduttori nel trasporto di energia. Infatti trovano applicazioni solo per sensori particolari tipo gli SQUID (Superconducting Quantum Magnetic Device) che sono dei sensibilissime sensori di campo magnetico.
Inoltre la maggior parte sono anisotropi, quindi hanno direzioni preferenziali di conduzione elettrica, il che costituisce un altro grosso limite.
Ciao
Max
@QL : basterebbe superare la soglia dell' azoto liquido, se e' per quello, per eliminare il 99% del costo della sezione criogenica.
L' azoto liquido lo trovi dal salumiere e lo mantieni tale anche con apparecchiature casalinghe.
Il problema e' quello di cui sopra : non esiste allo stato attuale un superconduttore ad alta temperatura (sopra l' azoto) che possa sostenere un campo magnetico a livelli di quello dell' LHC.
Max
@Max:
ah, ecco, ora ricordo. Grazie per la precisazione.
@QL:
Ad ulteriore complemento, da "strutturista meccanico" puro-e-duro, posso anche dire che non è perché un materiale è fragile (come i ceramici) che non è resistente. Dipende da come lo usi. E dipende anche dal "ceramico". Ci sono dei ceramici superconduttori che sono anche strutturalmente molto più resistenti delle leghe metalliche portate alla temperatura di superconduzione. Altri invece hanno una resistenza a compressione di svariati ordini di grandezza maggiore di quella a trazione, altri ancora... beh, ci siamo capiti. Tutti i ceramici, invece, hanno un tipo di rottura "a carico ultimo" che è di tipo "fragile", cioè avviene con deformazione plastica praticamente nulla e con liberazione quasi completa e immediata dell'intera energia di deformazione in energia di deflagrazione (o decoesione, come "chimicamente" più appropriato). In altri termini, ancora più appropriati, nessun ceramico è veramente "duttile", né "resiliente".
Peraltro, tanto per aggiungere un po' di confusione 😉 , moltissimi metalli e loro leghe (compresi gli acciai) hanno comportamento "fragile" pure loro, a bassissime temperature (prova a dare una martellata ad una sbarra di rame a 5K e vedrai cosa succede...). E ci sono leghe metalliche "progettate" apposta per avere comportamento "fragile" anche a temperatura ambiente (una famosissima è l'Anticorodal)...
Saluti
@Claudio b. : se ben ricordo c'e' stata una dimostrazione consistente nel trascinare una NAVE (!!!) con un filo di vetro.... Ovviamente fragilissimo. Comunque la fragilita' (da non confondersi con la resistenza) crea effettivamente problemi nella realizzazione di cavi conduttori, problemi comunque risolvibili.
Le teorie sui superconduttori sono cmq ancora giovani; anche se la BCS e' comunemente accettata (quella che ipotizza la formazione di coppie legate di elettroni a bassa temperatura) e' ben lontana dallo spiegare la superconduttivita' ad alta temperatura.
L' esempio "sconvolgente" della scoperta della superconduttivita' nel diboruro di magnesio (composto comunissimo e semplice da preparare) ne e' una prova. Purtroppo, sempre sui 40 gradi kelvin...
Max
A LHC sono presenti circa 80 tonnellate di He naturale che e' in massima parte costituito da He4. L'He3 e' un sottoprodotto di qualche reazione nucleare.
80 tonnellate di He4 gassoso significano (a pressione e temperatura ambiente) circa 450 mila m^3, se non vado errato. Se liquefatto, si ottiene un fattore di compressione di circa 800 che farebbe 560 m^3.
Mi pare sia un volume eccessivo per mantenere l'He liquido. Piu' plausibimente si comprimera' a 300 Atm e si mettera' in delle bombole.
L'He e' superfluido a temperature inferiori a 2.17 K e pressioni attorno al mbar. E' pertanto impensabile di mantenere l'He liquido e superfluido per la mera conservazione.
Il problema dei superconduttori ad alta temperatura e' che e' molto difficile fare connessioni elettriche. Invece il fatto che siano superconduttori di secondo tipo non c'entra nulla.
I superconduttori di primo tipo espellono il campo magnetico totalmente dall'interno; il campo massimo che sono in grado di espellere e' molto basso, sicuramente minore di 1 T. Le correnti superconduttive che questi superconduttori sono in grado di trasportare sono pertanto molto basse.
I superconduttori di primo tipo accettano il campo al loro interno sotto forma di linee di campo (grosso modo quantizzate e chiamate vortici). La corrente superconduttrice che fluisca all'interno di questi superconduttori esercita una forza di Lorentz sui vortici e tende a farli muovere; il moto dei vortici e' dissipativo. Quindi seppur il superconduttore sia nello stato superconduttivo, la sua resistenza e' non nulla. Fortunatamente imperfezioni reticolari ed altre cose tendono a essere dei buoni appigli (pin centers) per i vortici che quindi non si muovono.
Tutti i superconduttori usati per fabbricare magneti superconduttori (NbTi o NbSn3) sono superconduttori del secondo tipo con strong pinning. I magneti di LHC sono fabbricati con NbTi che e' facilmente disponibile sul mercato.
Mi stupisce di leggere che le teorie sui superconduttori siano giovani: la superconduttivita' e' stata scoperta nel 1911 ed e' il campo della fisica dello stato solido moderna (quantistica) piu' vecchio. La BCS sui superconduttori di primo tipo, come la teoria di Abrikosov che ha elucidato i meccanismi dei vortici nei superconduttori di secondo tipo sono del 1957. Prima di allora si puo' citare la teoria di Ginzburg-Landau (1950) che si basava sulla teoria di Landau delle transizioni di fase di secondo tipo (1940) oppure teorie fenomenologiche come quella dei London (1935).
@Edo : che il fenomeno della superconduttivita' sia conosciuto da mo', non c'e' dubbio, altrettanto poco dubbio e' che la teoria non sia ne' completa ne' uniformemente accettata, da quel che mi risulta....
Anzi, a tutt'oggi una valida e completa teoria per i superconduttori ad alta temperatura non c'e', vedi l' esempio del Diboruro di Magnesio, recentemente "scoperto" come superconduttore.
Tra parentesi secondo me una teoria, per definirsi tale, dovrebbe effettuare previsioni anche inaspettate, non limitarsi ad adattarsi a fenomeni conosciuti.
In effetti avrei dovuto dire "teorie dei superconduttori ad alta temperatura", quando dicevo che sono giovani.
Ho detto effettivamente una ca...ata sul fatto del campo magnetico, quello critico e' in effetti molto elevato. Rimangono pero' il problema della corrente critica e dell' anisotropia nei superconduttori ad alta temperatura, anzi, diciamo di quelli ceramici, non vorrei che domani ne saltasse fuori uno non ceramico senza questo difetto 🙂
Il discorso dei problemi di collegamento mi giunge nuovo.... a cosa e' dovuto ?
Max
In pratica non si riesce a saldarli con i metalli.
Per quel che riguarda l'anisotropia, i cristalli di HTCSC (High Critical Temperature SuperConductors) sono strutturalmente anisotropi: quelli "storici" sono formati da strati di ossidi di rame ed altre strutture connettive (per esempio il YBCO). Per quel che ne so, tutti gli HTCSC sono caratterizzati da questo tipo di anisotropia strutturale. Anzi, una volta ho anche visto ad un seminario un SC organico che aveva la stessa struttura.
Hai in effetti ragione, purtroppo non esiste ancora una teoria soddisfacente per i HTCSC (che sono stati scoperti negli anni 80 se non vado errato).
I SC di secondo tipo, tra cui gli HTCSC, sono caratterizzati da 3 campi critici: Hc1 < Hc2 < Hc3.
Hc1 e' il campo massimo fino al quale si ha diamagnetismo puro (in sostanza si comportano come SC di primo tipo)
Hc1 < H < Hc2: in questa fase e' permessa la formazione di vortici, ovvero tubi di flusso di campo magnetico "quantizzato" (a rigore non e' il flusso del campo ad essere quantizzato ma il flussoide, che e' la somma del flusso e dell'integrale sul cammino che delimita la superficie su cui si calcola il flusso della super-corrente, per cui e' improprio dire che i vortici siano quantizzati).
Hc3 si riferisce al campo critico per la che distrugge la superconduttivita' superficiale.
Bisogna fare attenzione che il campo critico non e' in generale indipendente dalla corrente critica. Per esempio, i superconduttori di primo tipo per espellere il campo magnetico dal proprio interno (effetto Meissner) generano delle correnti non dissipative (di coppie di Cooper) che annullano il campo magnetico al proprio interno. Quando il campo magnetico da espellere eccede il campo critico si eccede la corrente critica.
Viceversa se forzi una corrente in un SC questa, IV legge di Maxwell, genera un campo magnetico; quando questo campo eccede il campo critico si distrugge lo stato SC. I SC di primo tipo hanno campi critici di poche decine di milli Tesla: sono inutili.
Per quel che riguarda i SC di secondo tipo, la possibilita' di "pinnare" i vortici ci permette di utilizzarli fino ai campi piu' elevati: per esempio i succitati NbTi e NbSn3 possono generare campi fino a 10-12 e 20 Tesla rispettivamente. A LHC sono stati usati magneti in NbTi perche' ne serviva una quantita' enorme ed il NbTi e' disponibile a livello industriale, e' malleabile e duttile.
Per concludere, non e' che voglio fare il sapientino --come ho fatto-- ma ho pensato che questo blog avesse un livello di discussione piu' elevato, che ho voluto conservare.
Oh, ma "sapientino" va benissimo, almeno ogni tanto (e almeno per me. C'e` sempre qualcosa da imparare. E dunque grazie).
@Edo : ma scherzi ? 🙂 Le discussioni di questo tipo sono quelle interessanti, e ce ne vorrebbero anche di piu' !
Tra l' altro secondo me i superconduttori ad alta temperatura sono tanto interessanti come la ricerca sulle particelle, soprattutto per le potenziali applicazioni tecnologiche.
Ciao
Max
Bellissimo, in effetti. Grazie stra-1000; anche se queste erano cose tutte sopite nel mio inconscio, aver la fortuna che qualcuno le resusciti è una manna! ... e avevo fatto anch'io un bel po' di confusione tra SC di primo e secondo tipo...
Grazie Edo, grazie Max e Marco.