Navigând în Marea Argonului Lichid

Argonaut este un sistem robotizat care este proiectat pentru a monitoriza interiorul detectoarelor de particule lichide-argon, care sunt menținute la minus -193 grade Celsius. Detectorul de neutrini ProtoDUNE de la CERN folosește camere interne fixe pentru a căuta probleme precum bule și scântei atunci când este umplut cu 800 de tone de argon lichid. Credit: CERN

Argonauții mitologiei grecești au îndrăznit cu pietre ascuțite, mări agitate, magie și monștri să găsească fabulosul Păr de Aur. Un nou proiect robotizat la Laboratorul Național de Accelerare a Fermelor al Departamentului Energiei va împărtăși același nume și spirit aventuros.

Misiunea Argonautului va fi să monitorizeze condițiile din interiorul detectoarelor de particule ultraviolete, călătorind într-o mare de argon lichid ținut la minus-193 grade centigrad – la fel de rece ca unele dintre lunile din Saturn ȘI Jupiter. Proiectul finanțat de Marte își propune să creeze unul dintre cei mai toleranți la frig roboți realizați vreodată, cu potențiale aplicații nu numai în fizica particulelor, ci și în explorarea spațiului profund.

Argonul, un element care se găsește în mod obișnuit în aerul din jurul nostru, a devenit un ingredient cheie în căutarea oamenilor de știință de a înțelege mai bine universul nostru. Sub forma sa lichidă, argonul este utilizat pentru a studia particulele numite neutrini în mai multe experimente Fermilab, inclusiv MicroBooNE, ICARUS, SBND și experimentul internațional de nouă generație Deep Underground Neutrino. Argonul lichid este, de asemenea, utilizat în detectoare de materii întunecate, cum ar fi DEAP 3600, ARDM, MiniCLEAN și DarkSide-50.

Argonul lichid are multe beneficii. Este dens, ceea ce crește șansa ca neutronii prea îndepărtați să interacționeze. Instinct inert, astfel încât electronii eliberați de o interacțiune cu neutrini pot fi înregistrate pentru a crea o vedere 3D a traiectoriei particulelor. Transparent este transparent, astfel încât cercetătorii pot colecta interacțiunea de la lumină la „timpul de sigilare”. Alsoshtë este, de asemenea, relativ ieftin – un mare plus, deoarece DUNE va folosi 70.000 de tone de articole.

Dar detectoarele argon-lichid nu sunt lipsite de provocări. Pentru a produce date de calitate, argonul lichid trebuie păstrat extrem de rece și extrem de curat. Aceasta înseamnă că detectoarele trebuie izolate de lumea exterioară pentru a împiedica evaporarea sau contaminarea aeronavei. Cu acces limitat, diagnosticarea sau soluționarea problemelor dintr-un detector poate fi dificilă. Unele detectoare de argon lichid, cum ar fi detectoarele ProtoDUNE din CERN, aveți camere montate în interior pentru a căuta obiecte precum bule sau scântei.

Traseul Argonautului

Pentru a menține necesarul de energie scăzut și pentru a evita perturbările în argonul lichid, Argonautul se va deplasa încet de-a lungul șinelor de pe partea detectorului. Funcția sa principală este o cameră portabilă, dar inginerii care lucrează la aceasta speră să adauge alte caracteristici, cum ar fi brațele extinse, pentru repararea electronică minoră. Credit: Bill Pellico, Fermilab

„Vederea lucrurilor cu ochii noștri este uneori mult mai ușoară decât interpretarea datelor dintr-un senzor”, a spus Jen Raaf, un fizician Fermilab care lucrează la detectoare de fluide argon pentru mai multe proiecte, inclusiv MicroBooNE, LArIAT și DUNE.

Ideea pentru Argonaut a venit atunci când inginerul Fermilab, Bill Pellico, s-a întrebat dacă ar fi posibil să se realizeze camere mobile de interior. O cameră robotică poate suna simplu – dar ingineria sa pentru un mediu argon-lichid prezintă provocări unice.

Toate dispozitivele electronice trebuie să poată funcționa într-un mediu extrem de rece, de înaltă tensiune. Toate materialele trebuie să reziste la răcirea camerei la temperaturi criogene fără a se contracta prea mult sau a deveni fragile și fragmentate. Orice piesă în mișcare ar trebui să se deplaseze normal fără grăsime, ceea ce ar contamina detectorul.

“Nu poți avea ceva care cade și se sparge, cade și taie ceva sau contaminează argonul lichid sau pune zgomot în sistem”, a spus Pellico.

Pellico a primit finanțare pentru Argonaut prin programul de cercetare și dezvoltare dirijat de laborator, o inițiativă creată pentru a încuraja cercetarea științifică și inginerească inovatoare în laboratoarele naționale ale Departamentului Energiei. În această fază incipientă a proiectului, echipa – Pellico, inginerii mecanici Noah Curfman și Mayling Wong-Squires și omul de știință neutrino Flavio Cavanna – s-au concentrat pe evaluarea componentelor și a aspectelor de bază ale proiectării. Primul scop este de a demonstra că este posibil să comunici, să împuterniciți și să mișcați un robot într-un mediu criogen.

„Vrem să dovedim că putem avea, cel puțin, o cameră care se poate mișca și se poate înclina în argon lichid, fără a contamina argonul lichid sau a provoca bule, cu o fiabilitate care arată că acesta poate dura toată viața detector ”, a spus Curfman.

Planul este furnizarea Argonautului printr-un cablu de fibră optică, astfel încât să nu interfereze cu electronica detectorului. Robotul de dimensiunea unui pumn va primi doar aproximativ 5 până la 10 wați de putere pentru a se deplasa și a comunica cu lumea exterioară.

Motorul care va deplasa Argonautul de-a lungul unei piste pe partea laterală a detectorului va fi plasat în afara mediului rece. Camera va fi în interiorul lichidului rece și se va mișca foarte încet; dar acest lucru nu este un lucru rău – a merge prea repede ar crea probleme nedorite în argon.

„Pe măsură ce vom deveni mai avansați, vom începe să adăugăm mai multe grade de libertate și mai multe șine”, a spus Curfman.

Alte upgrade-uri la Argonaut în viitor pot include o sondă de temperatură sau un monitor de tensiune, oglinzi în mișcare și lasere pentru calibrarea detectoarelor de lumină sau chiar brațe extinse cu instrumente pentru reparații electronice minore.

O mare parte din tehnologia pe care Argonaut o avansează va fi aplicabilă pe scară largă în alte medii criogenice – inclusiv explorarea spațiului. Proiectul a câștigat deja un interes din partea universităților și NASA ingineri.

Roboții din spațiul adânc „vor merge în locuri îndepărtate în care au foarte puțină energie și viața lor ar trebui să fie de 20 plus ani la fel ca în detectoarele noastre și ar trebui să funcționeze la temperaturi criogene”, a spus Pellico. Echipa Argonaut se poate baza pe cunoștințele de robotică existente împreună cu expertiza Fermilab în sisteme criogenice pentru a extinde frontierele roboticii reci.

Chiar și părțile exterioare ale sondelor spațiale interstelare active, cum ar fi Voyagers 1 și 2, nu ating temperaturi la fel de mici ca argonul lichid – folosesc încălzitoare termoelectrice pentru a-și menține propulsorii și instrumentele științifice suficient de calde pentru a funcționa.

“Nu a existat niciodată un sistem robotizat care să funcționeze la aceste temperaturi”, a spus Pellico. „NASA nu a făcut niciodată asta; nu am făcut-o niciodată; „Nimeni nu a făcut-o vreodată, din câte îmi dau seama”.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Inginerii dezvoltă o nouă tehnologie de tratare a apei care ar putea ajuta și exploratorii Marte

Un catalizator care distruge percloratul din apă poate curăța solul marțian. O echipă condusă de ingineri de la Universitatea din California Riverside a dezvoltat un...

Dezechilibrul energetic al Pământului s-a dublat

Faceți clic pe imaginea pentru a anima: Comparația estimărilor anuale suprapuse la intervale de 6 luni ale fluxului anual net de energie în atmosfera...

Modul în care celulele folosesc „pungile pentru gunoi” pentru a-și transporta deșeurile de reciclare

Descoperirile pot avea implicații importante pentru înțelegerea bolilor legate de vârstă. Oamenii de știință de la Sanford Burnham Prebys au obținut o perspectivă mai profundă...

Cercetătorii iau distribuția cheii cuantice din laborator

Dovezile pe teren arată că simpla funcționare a sistemului DCC cu rețeaua de telecomunicații existentă în Italia. Într-un nou studiu, cercetătorii au demonstrat un sistem...

Știința simplificată: ce sunt rețelele cuantice?

din Departamentul Energiei din SUA 17 iunie 2021 Părțile interesate din guvern, laboratoare naționale, universități și industrie s-au alăturat DOE Internet Quantum Project Workshop pentru a...

Newsletter

Subscribe to stay updated.