100 metros bajo la tierra

Análisis automatizado del aire con el terminal de válvulas VTSA de Festo

En el mayor laboratorio de investigación para física de partículas, el CERN, miles de científicos descifran los enigmas de la física. La técnica de automatización, empleada de manera inteligente y flexible, ayuda de forma eficaz a la investigación científica. De esta manera, el terminal de válvulas VTSA de Festo controla los procesos de análisis del aire interior de la caverna y los experimentos en el detector "Solenoide Compacto de Muones" (en inglés "Compact Muon Solenoid", CMS).

A gran profundidad bajo tierra, cerca de Lago Lemán, gigantescos detectores filtran en el acelerador de partículas "Gran Colisionador de Hadrones" del CERN, la Organización Europea para Investigación Nuclear, la corriente de partículas subatómicas y recopilan cantidades ingentes de datos que después son evaluados por potentes algoritmos. Las modernas tecnologías hacen visible en el macrocosmos aquello que en el microcosmos mantiene unido al universo, tal como lo conocemos.

La existencia de la materia

Un hito en la física de partículas fue el descubrimiento de la partícula subatómica denominada "bosón de Higgs" en el año 2012 en el CERN. La existencia de esta partícula ya fue predicha por los científicos Robert Brout, François Englert y Peter Higgs en los años 60 del siglo pasado. Según el modelo estándar de la física válido en aquella época, esta partícula no debería tener, de hecho, masa alguna. En principio, las partículas subatómicas deberían moverse a la velocidad de la luz. Sin embargo, esto implicaría que no tendrían masa alguna. No obstante, los tres investigadores desarrollaron la teoría del campo de Higgs. El campo de Higgs ralentiza las partículas más pequeñas –de forma similar a canicas que se desplazan a través de miel– y les confiere inercia y, con ello, masa. Esta es, al menos, la suposición. Y, efectivamente, 50 años después llegó el momento: en experimentos en el LHC se aceleraron protones hasta casi la velocidad de la luz para hacerlos colisionar unos contra otros. Al hacerlo se desprendieron bosones de Higgs del campo de Higgs, lo que hizo posible detectarlos y medirlos. Se acababa de demostrar la existencia de la materia. En el año 2013, Higgs y Englert recibieron el Premio Nobel de Física. Brout murió en el 2011.

El más grande de su tipo

Investigar en el CERN significa trabajar en dimensiones impresionantes. Fundado en 1954 y financiado por 22 estados con casi mil millones de euros al año, este centro de investigación ocupa a más de 2500 científicos. Cerca de 12 000 científicos invitados de todo el mundo trabajan en experimentos en el CERN. El mayor laboratorio del mundo para física de partículas es responsable de varios aceleradores interconectados, los cuales ponen a disposición diferentes tipos de partículas para una gran variedad de experimentos. Entre ellas se encuentran muones para la investigación de la estructura del protón, iones pesados para la creación de nuevos estados de la materia y haces radioactivos de iones para la observación de núcleos exóticos.

El acelerador de partículas más grande y potente del mundo es el LHC. Está situado a unos 100 metros de profundidad bajo la tierra en un túnel circular de 27 kilómetros de circunferencia. El LHC emplea potentes campos eléctricos para transferir energía a haces de partículas, a los cuales guía a través de la instalación mediante campos magnéticos. Cuando esto ocurre, las partículas absorben cada vez más energía de aceleración hasta que se desplazan por el LHC a velocidad cercana a la de la luz, completando 11 245 vueltas por segundo. Cuando colisionan, cuatro gigantescos detectores –CMS, ATLAS, ALICE y LHCb– registran lo que ocurre.

El acelerador de partículas LHC se encuentra a 100 metros de profundidad en la zona fronteriza entre Francia y Suiza.

El acelerador de partículas LHC se encuentra en la zona fronteriza entre Francia y Suiza a una profundidad de aproximadamente 100 metros.

La seguridad es siempre lo primero

El detector CMS es un dispositivo de detección de alta tecnología con una longitud de 21 metros, un diámetro de 15 metros y un peso de 12 500 toneladas. Está compuesto por 100 millones de elementos de medición, realiza hasta 40 millones de mediciones por segundo y está considerado como uno de los instrumentos científicos más complejos y precisos que jamás se haya construido. Para evitar errores de medición, todos los factores de influencia deben encontrarse dentro de tolerancias definidas.

Entre estos factores también se encuentra la composición del aire ambiente y respirable en las cavernas subterráneas en las que se realizan los experimentos. Por ello, para garantizar un estado constantemente perfecto se toman y analizan muestras de aire en más de 100 puntos de medición dentro y fuera del detector. Esto es particularmente importante porque la palabra "Compact", contenida en el nombre CMS, también hace referencia a que no es posible intervenir rápidamente en cualquier punto deseado del detector. En el caso de que se produjera una situación crítica, como una fuga de gas o un incendio en el interior del detector, se tardaría hasta 2 semanas en acceder a las áreas interiores a través de aberturas de emergencia.

Automatización inteligente

En el pasado, para cada punto de toma de aire se empleaba un dispositivo de análisis propio, lo que comportaba costes elevados. También los gastos de mantenimiento y las probabilidades de avería eran demasiado elevados para los estándares del CERN. Desde principios del 2016, terminales de válvulas del tipo VTSA se ocupan de conducir las corrientes de aire hasta los dispositivos de análisis por el camino más corto. La nueva solución reduce la cantidad de los dispositivos de análisis en un factor 10. Las corrientes de aire se conducen ahora de forma centralizada y se asignan a los dispositivos de análisis situados más adelante en el circuito. Las válvulas principales de las VTSA, servopilotadas por aire comprimido, tienen la ventaja de que son insensibles al magnetismo del detector CMS. Para su empleo en el CERN, el terminal de válvulas fue configurado para los requisitos individuales. La adaptación técnica más importante fue su funcionamiento reversible.

En el funcionamiento normal, el aire de una tubería de medición es conducido a la estación de análisis a través del terminal de válvulas. Al mismo tiempo, en el funcionamiento con vacío se succionan permanentemente todas las demás tuberías, de metros de longitud. De esta manera, cuando se cambia a la siguiente tubería de medición, el aire ambiente se encuentra directamente en la correspondiente válvula. Mediante esta flexible aplicación, los componentes estándar de alta calidad de la VTSA ofrecen una solución técnica que permite al CMS incrementar la eficiencia a nivel de rendimiento y costes.

Un pequeño paso, un gran futuro

Este proyecto común para el análisis automatizado del aire se inició en agosto del 2015. A finales de octubre se suministraron las unidades. A principios del 2016 pudo ponerse en servicio el nuevo sistema. "No nos resultó difícil decantarnos por Festo como proveedor de esta tecnología ya que llevamos años empleando con éxito productos Festo en el CERN y el CMS", explica Gerd Fetchenhauer, CMS Gas Safety Officer en el CERN.

Si bien hasta ahora se habían empleado principalmente componentes individuales, esta solución de sistema lista para su montaje es la primera de este tipo dentro del marco de la colaboración de muchos años entre Festo y CERN, y puede sentar las bases para aplicaciones similares en otros detectores del Gran Colisionador de Hadrones. Esto puede servir para que también en el futuro sea posible realizar grandes descubrimientos científicos dando muchos pasos pequeños.


www.cern.ch

  1. Este artículo fue publicado en la revista para clientes de Festo trends in automation 2.2016

    Imágenes: CERN
Sumario