Kostenbesparingen van het vacuümsysteem en ontwerp van productiefaciliteit en installatiescenario
Meer in het bijzonder gaat het hier over het armvacuümsysteem dat ongeveer 120 km UHV-buizen met een diameter van 1 m omvat. Het systeem moet minimaal 50 jaar functioneren en onderhoudsarm zijn.
Om de laserstralen die herhaaldelijk reflecteren tussen de testmassa's (spiegels die worden gebruikt om de passage van een zwaartekrachtgolf te detecteren niet te verstoren) moeten de laserstralen zich in een UHV (Ultra Hoog Vacuüm)-systeem bevinden.
De huidige detectoren gebruiken standaard roestvrij staal (AISl304L) en 3-4 km lange, 0,7-0,9 m diameter en 3-4 mm wanddikte lange UHV-buizen voor de armen van de interferometer (= 'arm-vacuüm systeem') met een volume van enkele 1000 m3, ingesteld op 1.E-8 mbar.
Indien we deze technologie toepassen op de Einstein Telescope (ET) – waarvoor een ongeveer honderd keer groter volume nodig is en een veel lagere restvacuümdruk van 1.E-10 mbar – zal dit resulteren in een duur armvacuümsysteem.
Met het oog op deze potentieel hoge kosten en ook om te proberen de in-situ uitbrandoperaties te vermijden - of op zijn minst te vereenvoudigen - moeten alternatieve - met name kostenefficiëntere - concepten voor ET's armvacuümsysteem worden bestudeerd.
Gezien het enorme systeem lijkt een productiefabriek ter plaatse, waarbij ook de logistiek wordt geminimaliseerd, wenselijk. Op dezelfde manier moeten de productie en het ondergrondse installatieschema samen worden geoptimaliseerd.
Tenslotte vereist het armvacuümsysteem nog tal van andere componenten en diensten, zoals: vacuümpompen; balgen om (thermisch geïnduceerde) lengtevariaties op te vangen; schotten om verstrooid licht te beperken; Kranen en scheidingen om het armvacuümsysteem te compartimenteren bij interventies; diagnostische apparatuur (RGA's, vacuüm-, druk-, etc. sensoren); cryotrappen om te voorkomen dat met name waterdamp uit de torens het armvacuümsysteem bereikt; uitbakvoorzieningen indien nodig; etc. Een algehele systeemintegratie is cruciaal, niet alleen met het oog op de hoge kosten, maar ook met het oog op de vereiste lange levensduur van minimaal 50 jaar met idealiter weinig onderhoud, dat wil zeggen dat het armvacuümsysteem zeer robuust moet zijn.
De belangrijkste uitdagingen in een notendop:
verwijst alleen naar het armvacuümsysteem, dat wil zeggen niet naar de veel kleinere vacuümtorens waarin de belangrijkste instrumenten zijn ondergebracht
- Groot UHV-systeem: ongeveer 120 km buizen met een diameter van 1 m, d.w.z. een volume van ongeveer 100.000 m3;
- 10. E-10 mbar vacuümdruk;
- Te verwachten levensduur van minimaal 50 jaar, d.w.z. het moet robuust zijn;
- Kostenefficiënte productie- en ondergrondse installatiestrategie;
- Onderzoek naar alternatieve materialen/lay-outs voor de 'eenvoudige UHV-standaard' -maar dure- dikwandige roestvrijstalen buis: Laag koolstof staal of aluminium; dunwandig geribbelde buis; geneste buizen, enz.;
- Systeemoptimalisatie: vacuümvaten, pompen, kleppen, balgen, schotten, cryotraps, diagnostische instrumenten (RGA's, ...), enz.
Doelen
Engineeringdoel | Buisontwerp, ontwerpkeuzes optimaliseren, onderwerpen:
- Materiaalkeuze (laag koolstof staal?);
- Wandconcept (massieve versus gegolfde versus geneste buizen (binnenvoering));
- Productieconcept (externe versus productie op locatie): montagetechniek (lastechniek);
- Compartimenteren het armvacuümsysteem/onderhoud;
- Componentkeuzen: vacuümvaten, pompen, kleppen, balgen, schotten;
- Diagnoseapparatuur (RGA's, vacuüm-, druksensoren etc.);
- Cryotraps om te voorkomen dat met name waterdamp uit de torens het armvacuümsysteem bereikt;
- Uitbakvoorzieningen indien nodig;
- Variabelen om te optimaliseren: materiaalkosten, uitbakvereisten, lengte variaties en strooilicht management.
Totaal (alle detectoren):
- 120 km UHV-buizen met een diameter van 1 m;
- 50 jaar met onderhoudsarme levensduur;
- Veilig ontwerp (te produceren / gebruiken / onderhouden).
Armvacuümsysteem (1 detector):
- 10 km buislengte (diameter 1 m);
- 10.000 m3 inhoud;
- 1.E-10 mbar.
Een algehele systeemintegratie is cruciaal, niet alleen met het oog op de kosten, maar ook met het oog op de vereiste lange levensduur van minimaal 50 jaar met idealiter weinig onderhoud, dat wil zeggen dat het armvacuümsysteem zeer robuust moet zijn.
Meer informatie
Einstein Telescope for Business - Vacuum information session (pdf)
Status of the beampipe activities (pdf)
Einstein Telescope - beampipe requirements (pdf)
Openstellingstekst voor de R&D-regeling Vacuümtechnologie