Ao treinar para uma maratona, os corredores devem aumentar gradualmente a distância de suas corridas. Eles sabem que suas corridas nos primeiros dias de treinamento não definem do que um dia serão capazes; eles estão construindo uma base sólida que os ajudará a alcançar todo o seu potencial.

Os ímãs do comprimento de um carro que direcionam as partículas ao redor do Grande Colisor de Hádrons passam por um processo semelhante. Os cientistas devem levá-los ao limite, tempo e de novo, até que possam lidar com enormes quantidades de corrente elétrica.

"Esses ímãs são grandes maravilhas da engenharia, "diz a cientista Kathleen Amm, diretor da Divisão Magnética do Laboratório Nacional de Brookhaven do Departamento de Energia dos Estados Unidos, em Nova York. "Mas uma coisa que não podemos fazer é colocá-los direto no acelerador. Eles precisam ser treinados."

Cientistas, engenheiros e técnicos da Brookhaven agora estão treinando ímãs para uma tarefa ainda mais difícil:direcionar e focar partículas em um acelerador de próxima geração, o LHC de alta luminosidade do CERN. Felizmente, esses ímãs não só podem suportar o treino, mas também ganhe a capacidade de transportar ainda mais corrente do que antes.

Resistindo a raios

Usando um novo tipo de fio supercondutor à base de nióbio-3-estanho, Nb3Sn, os ímãs aceleradores HL-LHC serão capazes de conduzir cerca de 40% mais corrente elétrica do que a iteração anterior de ímãs para o LHC. Cada um carregará cerca de 16, 500 amperes - quase tanto quanto um pequeno raio. O laptop comum, para referência, usa menos de 5 amperes.

Os ímãs do LHC são feitos de materiais diferentes daqueles usados ​​para fazer um laptop de uma maneira importante:eles são supercondutores. Isso significa que eles podem transportar uma corrente elétrica sem perder energia. Eles não produzem calor porque têm resistência elétrica zero.

Mas há um problema:tanto os ímãs antigos quanto os novos do LHC obtêm a propriedade de supercondutividade apenas quando resfriados a temperaturas extremamente baixas. Dentro do LHC, eles são mantidos a 1,9 kelvin (menos 456,25 Fahrenheit), logo acima do zero absoluto.

Mesmo isso nem sempre é suficiente:uma pequena imperfeição pode fazer com que um ímã perca repentinamente suas propriedades supercondutoras em um processo chamado de têmpera.

"Uma têmpera significa que uma parte do supercondutor torna-se normal, "diz o cientista Sandor Feher, que supervisiona o treinamento e o teste magnético do HL-LHC. "A temperatura começa a subir, e esse calor se espalha para outras partes do ímã. "

Uma têmpera pode ser ruinosa. "Quando um supercondutor perde suas propriedades supercondutoras, passa de zero de resistência elétrica para uma resistência elétrica muito alta, "Amm diz." Nos primeiros dias [do desenvolvimento de supercondutores], os ímãs queimariam devido a essa rápida transição. "

Mas esse superaquecimento nem sempre significa desastre. Durante o treinamento do ímã, resfriamentos controlados induzem mudanças estruturais úteis no nível microscópico que melhoram o desempenho de um ímã.

A anatomia de um ímã

Quando ele tinha 12 anos, Martel Walls venceu um concurso de arte local com um desenho detalhado e realista de um tribunal em Bloomington, Illinois. "Meu desenho acabou dentro do tribunal, "ele diz." Desde então, Eu sabia que queria trabalhar em uma área que aproveitasse meu olho para os detalhes e minha mão firme. "

O olho de Walls para formas complexas acabou levando-o a seu trabalho como técnico líder responsável pelo desenvolvimento de bobinas magnéticas no Fermi National Accelerator Laboratory em Illinois, onde as equipes produzem e testam ímãs com destino ao HL-LHC.

Os ímãs que Walls e sua equipe estão montando consistem em 450 metros (cerca de 1480 pés) de cabo supercondutor Nb3Sn enrolado em torno de duas estruturas de suporte interligadas. As bobinas têm cerca de 4,5 metros (quase 15 pés) de comprimento. Cada centímetro de cabo é inspecionado antes e durante o processo de enrolamento.

As bobinas são então aquecidas até 665 graus Celsius (1229 graus Fahrenheit) ao longo de um ciclo de aquecimento de 11 dias; um processo que transforma o cabo comum de nióbio-estanho em um supercondutor, mas também o torna incrivelmente frágil. "Torna-se tão frágil quanto espaguete cru, "Walls diz.

Manuseá-los o mais suavemente possível, os técnicos soldam mais componentes nas bobinas antes de mergulhá-los em epóxi. As bobinas finais são enviadas para o Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, na Califórnia, onde várias bobinas são encaixadas juntas e, em seguida, envoltas em uma caixa de aço resistente. Eles são então enviados para Brookhaven para começar seu regime de treinamento.

Quando a equipe de teste de Brookhaven conecta os ímãs à eletricidade, as bobinas se empurram e puxam umas sobre as outras com enormes forças devido aos altos campos magnéticos.

Mesmo um pequeno movimento da ordem de apenas 10 a 20 mícrons - aproximadamente a largura de um cabelo humano - pode ser suficiente para gerar uma têmpera.

Regime de treinamento

Logo no início, os engenheiros perceberam que um ímã bem construído poderia se lembrar desses movimentos microscópicos. Quando um componente instável muda para uma posição mais confortável, o componente normalmente permanece no lugar. O resultado é um ímã que é mais resistente na próxima vez que for ligado.

Durante o treinamento, cientistas e engenheiros aumentam gradualmente a corrente elétrica que circula no ímã. Se qualquer parte do ímã vai se mover ou liberar energia, ele faz isso em um ambiente de laboratório controlado, em vez de um complexo de acelerador subterrâneo de difícil acesso.

O treinamento com ímã em Brookhaven começa com a imersão do ímã em um banho de hélio líquido. Assim que esfriar, a equipe de teste introduz e aumenta gradualmente a corrente elétrica.

Assim que houver um resfriamento, a eletricidade é automaticamente desviada do ímã. O banho de hélio líquido evapora, carregando consigo o calor da têmpera. Após cada têmpera, o hélio é recolhido para ser reutilizado, e o processo começa novamente.

"Nossa meta é três resfriadores por ímã por dia, "Feher diz." Começamos por volta das 5 ou 6 da manhã e trabalhamos em turnos até 6 ou 7 da noite. "

Pouco a pouco, a equipe de teste de Brookhaven expõe o ímã a correntes cada vez mais altas.

"Durante a P&D do ímã, podemos ver 50 a 60 quenches, "Amm diz." Quando entrarmos em produção, o objetivo é ver um número mínimo de quenches, cerca de 14 ou 15, antes de chegarmos ao nível de campo desejado. "

Assim que o treinamento for concluído, isto é, o ímã pode operar na corrente desejada sem se extinguir - ele é enviado de volta ao Fermilab para mais ajustes e testes. Os ímãs finais serão então enviados para o CERN.

De acordo com Amm, projetando, construir e preparar ímãs para a atualização do LHC é mais do que física aplicada:é uma forma de habilidade manual.

"É aí que a arte entra junto com a ciência, "ela diz." Você pode fazer muita ciência e engenharia, mas, no final das contas, você precisa construir e testar muitos ímãs antes de entender o ponto ideal. "