Quanto inquinano gli acceleratori di particelle?

Quanto inquinano gli acceleratori di particelle? Questa è una delle domande che i ricercatori del CERN si sono posti di recente. Il Future Circular Collider (FCC) è il progetto destinato a succedere al Large Hadron Collider (LHC) presso il CERN. Quando sarà completato, sarà il più grande acceleratore di particelle al mondo. Sarà quindi ancora più grande dell’attuale LHC, con il quale nel 2012 è stato individuato il bosone di Higgs. Nella progettazione di questo nuovo acceleratore di particelle, i ricercatori iniziano a non considerare più solo le dimensioni e le prestazioni tecniche, ma anche l’impatto ambientale dato dal funzionamento.

Il progetto del FCC

Alla costruzione del Future Circular Collider stanno collaborando più di 150 istituti di ricerca, università e realtà industriali di tutto il mondo. Quando sarà portato a termine, l’FCC sarà l’acceleratore di particelle più grande e più potente mai costruito. Sarà in grado di produrre collisioni tali da generare 100 TeV di energia. Il suo diametro sarà di circa 100 km, circa 4 volte maggiore di quello dell’attuale LHC. Lo studio attuale analizza tre diversi scenari, a seconda del tipo delle collisioni tra particelle: collisioni adroniche (ovvero protone-protone e ioni pesanti), come nell’attuale LHC; collisioni elettrone-positrone, come nell’ex LEP; collisioni protone-elettrone o collisioni protone-ione pesante. Secondo quanto emerge dall’ultimo rapporto di progettazione, l’acceleratore di particelle FCC potrà entrare in azione tra il 2035 e il 2040.

Come funziona un acceleratore di particelle?

Un acceleratore di particelle produce fasci di ioni o particelle subatomiche cariche, come elettroni, protoni, antiprotoni e positroni. Queste particelle poi collidono tra di loro tramite urti ad elevata energia cinetica. Ci sono due tipologie di queste macchine: acceleratori lineari e acceleratori circolari. I primi spingono le particelle del fascio lungo una linea, mentre i secondi le spingono intorno a un percorso circolare. L’acceleratore di particelle utilizza un campo elettrico per aumentare l’energia delle particelle, che vengono guidate mediante l’applicazione di campi magnetici. Il fascio di particelle viaggia in un tubo vuoto, fondamentale per mantenere una condizione di assenza di aria e polveri, evitando di creare ostacoli durante il cammino delle particelle. Le particelle possono essere indirizzate verso un bersaglio fisso, per esempio una lamina di metallo, oppure due fasci di particelle possono entrare in collisione tra di loro. 

Impatto ambientale di un acceleratore di particelle

Un recente studio condotto dai ricercatori del CERN, pubblicato sulla rivista The European Physics Journal Plus, si è occupato di valutare l’impatto ambientale di un acceleratore di particelle. L’articolo ha dimostrato che l’attuale progetto per FCC ha un consumo energetico molto più basso rispetto ad altre tipologie di acceleratori. Viene quindi considerato come il più sostenibile dal punto di vista dell’impatto ambientale. In particolare, il consumo di energia è pari a circa un sesto rispetto agli altri progetti. Stando ai dati riportati, il consumo di FCC è pari a 3 MWh per ogni bosone di Higgs prodotto. L’impatto ambientale di FCC viene confrontato con quello di altri acceleratori: il Circular Electron Positron Collider (CEPC) cinese, l’ International Linear Collider (ILN) giapponese, il Compact Linear Collider (CLIC) del Cern e il Cool Copper Collider (C³) statunitense.

Come valutare l’inquinamento di un acceleratore di particelle?

Ma quanto inquinano gli acceleratori di particelle? I ricercatori hanno deciso di valutare il consumo energetico dell’acceleratore di particelle come parametro per stimare l’inquinamento. Lo scopo principale di FCC è infatti quello di produrre bosoni di Higgs, come accade anche per l’attuale LHC. I bosoni di Higgs sono particelle fondamentali per i fisici, perché sono quelle che conferiscono una massa a tutte le altre particelle dell’universo. In pratica, se questa particella non esistesse, non esisterebbe la materia. Quando, dopo una serie di esperimenti, nel 2012 fu osservato per la prima volta il bosone di Higgs, fu chiamato la particella di Dio proprio per questo motivo. Il bosone di Higgs infatti era l’unica particella che mancava del Modello Standard, che è l’insieme delle leggi che descrivono tutte le particelle che costituiscono l’universo.

Quanto inquinano gli acceleratori di particelle?

Secondo lo studio del CERN, l’acceleratore di particelle FCC sarà quello con il minore consumo energetico per ogni bosone di Higgs. Al secondo posto c’è il CEPC, con 4,1 MWh per ogni bosone di Higgs prodotto. Gli acceleratori di particelle lineari hanno in generale delle prestazioni energetiche peggiori. All’ultimo posto infatti si trova il C³ , che consuma ben 18 MWh per bosone di Higgs. Nello studio sono stati analizzati solo i costi ambientali in fase di funzionamento. Non è incluso quindi l’inquinamento associato alla costruzione della macchina e allo smantellamento di quella precedente. La scelta di valutare quanto inquinano gli acceleratori di particelle in base all’energia associata alla produzione dei bosoni è dovuta al fatto che la possibilità di fare nuove scoperte scientifiche è proporzionale al numero di bosoni prodotti. L’inquinamento associato al funzionamento è comunque maggiore dell’impatto della sua costruzione. In questo senso, il C³ risulta essere il meno impattante per la produzione del cemento necessario per i tunnel, perché è lungo solo 8 km, rispetto ai 90 km di circonferenza del FCC.

Inquinamento di un acceleratore di particelle

Tenendo conto del fatto che più del 90% dell’energia elettrica al CERN proviene da fonti pulite, come l‘energia nucleare, la carbon footprint dell’FCC è pari solo all’1% dell’alternativa più inquinante. Attualmente si sta lavorando per migliorare la tecnologia del CEPC per ridurre il consumo energetico del 10% rispetto a quello attuale. Allo stesso tempo l’acceleratore di particelle C³, quello più impattante, potrebbe in futuro garantire efficienze energetiche maggiori ed essere alimentato con fonti di energia rinnovabile. La valutazione di quanto inquinano gli acceleratori di particelle dipende molto anche dalla politica energetica del paese ospitante. Per esempio, la Cina prevede di ridurre la percentuale di energia derivante dalle fonti fossili dall’83% attuale al 64% nel 2035. Per quell’anno, il CEPC dovrebbe essere già operativo. Anche altre potenziali nazioni ospitanti puntano all’obiettivo net zero emissions entro il 2050, con una conseguenza positiva sul consumo degli acceleratori.

Acceleratore di particelle e impatto ambientale

Nella progettazione di un acceleratore di particelle di così grande portata l’obiettivo principale è quello di massimizzare l’efficienza energetica. Ma nella progettazione occorre tenere conto di molti altri fattori, tra cui i costi, il contributo del paese ospitante e il sostegno dei governi internazionali. I ricercatori hanno voluto valutare però anche l’inquinamento e la prestazione ambientale ritenendo che oggi sia fondamentale combattere il riscaldamento globale. Secondo gli autori dello studio, inoltre, tenere conto di aspetti ambientali nella costruzione del nuovo acceleratore di particelle aiuterà i ricercatori anche ad ottenere il supporto da parte del mondo politico.