PUMPEN & KOMPRESSOREN
Für den Dauerbetrieb bei -55 Grad Celsius
Membrandosierpumpen
unterstützen CO2-Kühlsysteme
Für die Aufrüstung der Teilchendetektoren am Large Hadron Collider (LHC) am CERN kommen spezielle Membrandosierpumpen von Lewa in CO2-Kühlsystemen zum Einsatz. Die Aggregate speisen kontinuierlich flüssiges Kohlenstoffdioxid bei Temperaturen bis minus 55 Grad Celsius in die Kühlkreisläufe der Detektoren ein. Das Kühlsystem ist Teil des „Phase 2 Upgrade“ des Large Hadron Collider, mit dem die Luminosität, also die Kollisionsrate der Protonenstrahlen, um den Faktor zehn steigen soll. Ziel dieser Ausbaustufe ist es, die Voraussetzungen für weitere physikalische Entdeckungen zu schaffen, zum Beispiel zu dunkler Materie und zur grundlegenden Natur des Higgs-Teilchens.
Der Large Hadron Collider gilt als derzeit leistungsstärkster Teilchenbeschleuniger und verläuft in einem rund 27 Kilometer langen Ringtunnel tief unter der Erde. Im Ring befinden sich vier Messstellen, darunter die Detektoren ATLAS und CMS. ATLAS erreicht eine Länge von 46 Metern und einen Durchmesser von 25 Metern und ist damit der größte Detektor der Anlage, während CMS mit 12.500 Tonnen der schwerste Detektor ist. Beide Detektoren zeichnen mit zahlreichen Sensormodulen die Flugbahn, den Impuls und die Energie der erzeugten Teilchen auf, um diese nach den Kollisionen der beschleunigten Protonen einzeln identifizieren und auswerten zu können.
Um die Siliziumsensoren in diesen Spurdetektoren und Endkappenkalorimetern vor hohen Strahlungsdosen zu schützen und die Messpräzision zu sichern, sind Betriebstemperaturen bis minus 55 Grad Celsius erforderlich. Dazu wird künftig ein Zweiphasen-CO2-Kühlsystem eingesetzt, das eine hohe Wärmeübertragung bei niedriger Viskosität und einen für den Detektorbetrieb geeigneten Temperaturbereich bietet und im Vergleich zu anderen geeigneten Kühlmitteln als umweltfreundliche Option gilt. Die Spezifikation verlangte unter anderem, dass das Triebwerk der Pumpen nicht mit dem extrem kalten CO2 in Berührung kommen darf. Deshalb wurde ein Remote-Design umgesetzt, bei dem der Ventilkopf getrennt vom Verdrängersystem der Pumpe installiert ist. In den Pumpenköpfen kommt ein spezielles Silikonöl zum Einsatz, für das geeignete Dichtungen auszuwählen waren. Zudem wurde ein größerer Membran-Pumpenkopf spezifiziert, um die mechanische Belastung zu reduzieren und das Risiko von Rissen oder Brüchen in der Membran bei tiefen Temperaturen zu verringern.
Da Kühlmedium und Hydrauliköl im Pumpenkopf nur durch eine dünne PTFE-Membran getrennt sind, musste das Öl so gewählt werden, dass es bei den geforderten Temperaturen nicht gefriert. Gleichzeitig darf die Temperatur am Triebwerk nicht unter minus 20 Grad Celsius absinken. Dies wird durch eine zusätzliche Pendelleitung erreicht, in der sich das Hydrauliköl erwärmen kann, sodass das CO2 mit minus 55 Grad Celsius das Triebwerk nicht erreicht. Um ein unbeabsichtigtes Auslösen von CO2-Warnmeldern im Betrieb zu verhindern, erhielten die hermetisch dichten Aggregate an Flanschanschlüssen und kritischen Stellen wie Linsendichtungen zusätzliche PTFE-Beschichtungen, um Leckagen zu vermeiden, die zu einer Evakuierung und zum Stillstand des Systems führen würden. Darüber hinaus wurden Triebwerk und Antriebskopf so angepasst, dass geeignete Messpunkte für die Mess- und Überwachungstechnik zur Verfügung stehen.
Für die Kühlung der Detektoren ATLAS und CMS sind insgesamt 18 Membrandosierpumpen der Baureihe ecoflow LDG installiert. Sie befinden sich in Servicekavernen außerhalb des Strahlungs- und Magnetfeldbereichs der Experimente und lassen sich über elektrische Hubverstellung und Frequenzumrichter aus dem Kontrollraum steuern, ohne dass Personal unmittelbar an den Aggregaten arbeiten muss. Nach Abschluss des Projekts im Jahr 2028 sollen die installierten Pumpen die Elektronik und die Siliziumsensoren in den Detektoren über ein komplexes Netz aus Übertragungsleitungen, Verteilern und kleinen Kühlrohren versorgen, die direkt mit den Siliziumsensoren in Kontakt stehen. Die Membrandosierpumpen bilden damit das zentrale Element der Kühleinheiten für die Siliziumdetektoren im Rahmen des „Phase 2 Upgrade“ der Experimente mit ATLAS und CMS. Geplant sind zudem Biegewechselversuche an den Pumpenmembranen, um deren Standzeiten im Dauerbetrieb detailliert zu untersuchen und die Auslegung der Aggregate weiter zu optimieren.
