A ciência fundamental vai “ficar verde”: os físicos pensam na produção eficiente de energia dos bósons de Higgs

O tempo da energia barata já passou, o que exige que as pesquisas científicas em física de partículas estejam atualizadas. Instrumentos modernos para o estudo de partículas e, sobretudo, uma variedade de aceleradores, consomem tanta energia que têm um impacto ambiental prejudicial ao meio ambiente. Isso leva a uma forte opinião de que todos os futuros projetos de aceleradores devem estar sujeitos à avaliação de impacto ambiental mais rigorosa.

Localização aproximada do Futuro Colisor Circular. Fonte da imagem: CERN

O complexo de aceleradores do CERN, cuja joia da coroa é o Large Hadron Collider (LHC), consome 200 MW no pico, cerca de um terço do consumo da vizinha Genebra, com uma população de cerca de 200.000. No futuro, o CERN pretende criar uma ferramenta ainda mais poderosa para o estudo do bóson de Higgs e outras partículas elementares – o Future Circular Collider (FCC) com uma circunferência de 100 km. Também é chamada de “fábrica de Higgs”. Isso aumentará enormemente o consumo de energia do complexo, o que nos faz pensar na futura eficiência energética dos experimentos.

O projeto FCC ainda não foi aprovado, o que permite avaliar as opções propostas em termos de impacto ambiental. Cálculos preliminares mostram que, dependendo do projeto do colisor de partículas escolhido, a pegada de carbono da fábrica de Higgs pode diferir por um fator de 100. Esta conclusão foi alcançada por físicos europeus que estudaram o potencial de sucessores do LHC. E o maior projeto em face do FCC com 100 km de circunferência acabou sendo o mais eficiente em termos de energia gasta para obter cada bóson de Higgs.

Atualmente, existem cinco propostas para a criação de um colisor pósitron-elétron de alta energia. Estes são três colisores em aceleradores lineares – o International Linear Collider (ILC) no Japão, o colisor C3 americano e o Compact Linear Collider no CERN, bem como dois colisores de anel – o CERN FCC e o Chinese Electron-Positron Collider (CEPC) . Físicos do CERN analisaram cada projeto e chegaram à conclusão de que o Futuro Colisor Circular será o mais eficiente energeticamente, mesmo levando em consideração o impacto no meio ambiente das instalações do colisor e todos os trabalhos de construção necessários (embora todos os cálculos abaixo levem em consideração consideram apenas a componente energética do trabalho dos colisores como a mais significativa).

Especificamente, os pesquisadores calcularam que o Future Circular Collider consumiria 3 MWh para cada bóson de Higgs produzido. Em segundo lugar em eficiência ficou o CEPC chinês – 4,1 MWh por bóson de Higgs. O colisor americano C3 é reconhecido como o mais intensivo em energia, que consumirá 18 MWh para cada bóson de Higgs.

Dada a pegada de carbono da produção de eletricidade em cada um dos países onde os colisores futuros e mais poderosos estão planejados para serem construídos, o Colisor Circular Futuro é novamente o mais ecológico – a produção de cada bóson de Higgs na FCC será acompanhada pela liberação de 0,17 toneladas de CO2 equivalente. O ILC japonês, por exemplo, produzirá 50 vezes mais emissões por bóson de Higgs (9,4 toneladas de CO2 equivalente). Essa enorme diferença se deve principalmente ao fato de que o Future Circular Collider será alimentado pela rede elétrica francesa, dominada pela eletricidade de usinas nucleares.

Além disso, se o Future Circular Collider aumentar o número de pontos de interação de partículas de 2 para 4, sua eficiência dobrará – até 1,8 MWh para cada bóson de Higgs e emissões de até 0,1 tonelada de CO2 equivalente.

Como outra opção para reduzir o impacto ambiental dos colisores do CERN, foi proposto estender uma linha de energia a partir de usinas de energia solar no norte da África, embora isso seja outra história. O fato é que a ciência fundamental não poderá avançar em todos os países e regiões. E ainda não está claro como a atual crise energética afetará tudo isso. O CERN já pensou em reduzir uma série de experimentos secundários, e isso terá que conviver.