V největší výzkumné laboratoři částicové fyziky CERN dešifrují tisíce vědců dosud nevyřešené hádanky fyziky. Inteligentní a přizpůsobivé využití automatizační techniky účinně vědeckému výzkumu pomáhá. Ventilové terminály Festo VTSA řídí procesy analýzy interního experimentálního a kavernového vzduchu na detektoru „Compact Muon Solenoid“ (CMS).
Hluboko v podzemí, poblíž Ženevského jezera, obrovské detektory urychlovače částic „Large Hadron Collider“ (LHC) v CERN (Evropská organizace pro fyziku částic s vysokou energií) prosévají proud subatomárních částic a shromažďují obrovské množství dat, které jsou vyhodnocovány výkonnými algoritmy. Moderní technologie zviditelňují ve velkém měřítku to, co v malém měřítku drží vesmír pohromadě.
Mezníkem ve fyzice částic byl objev subatomární částice, takzvané Higgsovy částice, v roce 2012 v CERN. Vědci Robert Brout, François Englert a Peter Higgs předpovídali její existenci již v 60. letech. Podle tehdy platného standardního modelu fyziky, přesně vzato, neexistovala žádná hmota. Subatomární částice by se ve skutečnosti měly pohybovat rychlostí světla. Jak jsme tedy už řekli, znamenalo by to, že nebudou mít žádnou hmotu. Tito tři vědci nicméně vyvinuli teorii Higgsova pole. Higgsovo pole zpomaluje nejmenší částice - jako kdyby kuličky letěly medem - a podle předpokladu jim dodává setrvačnost, a tím i hmotnost. A skutečně, o 50 let později, přišel čas: v experimentech na LHC byly protony urychleny téměř na rychlost světla, aby mezi sebou kolidovaly. Higgsovy částice se z Higgsova pole uvolnily a byly měřitelné, a proto skutečně zjistitelné. Existence hmoty byla prokázána. Pánové Higgs a Englert obdrželi v roce 2013 za svou teorii Nobelovu cenu za fyziku, pan Brout zemřel v roce 2011.
Výzkum prováděný v CERN je vlastně vědecká práce v dechberoucích rozměrech. Toto výzkumné centrum, které bylo založeno v roce 1954, je financováno 22 zeměmi téměř miliardou eur ročně a nyní zaměstnává více než 2500 vědců. Na experimentech CERN pracuje více než 12 000 hostujících vědců z celého světa. Největší laboratoř částicové fyziky na světě provozuje několik propojených urychlovačů, které poskytují různé typy částic pro různé experimenty. Patří mezi ně miony pro výzkum struktury protonu, těžké ionty pro vytváření nových stavů hmoty a radioaktivní iontové paprsky pro pozorování exotických jader.
Největším a nejvýkonnějším urychlovačem částic na světě je LHC. Nachází se asi 100 metrů pod zemí v kruhovém tunelu s obvodem cca 27 kilometrů. Urychlovač LHC používá silná elektrická pole k přenosu energie do paprsků částic a vede paprsky zařízením pomocí magnetických polí. Částice absorbují více a více energie zrychlení, až obíhají kolem LHC téměř rychlostí světla - 11 245krát za sekundu. Pokud se srazí, čtyři obrovské detektory - CMS, ATLAS, ALICE a LHCb - zaregistrují, co se děje.
Detektor CMS je technologicky vysoce vyvinuté detekční zařízení o délce 21 metr, průměru 15 metrů a hmotnosti 12 500 tun. Skládá se ze 100 milionů jednotlivých měřicích prvků, uskuteční až 40 milionů měření za sekundu a je považován za jeden z nejsložitějších a nejpřesnějších vědeckých přístrojů, jaké byly kdy vyrobeny. Všechny ovlivňující faktory musí být v rámci stanovených tolerancí, aby se zabránilo chybám měření.
Mezi tyto ovlivňující faktory patří také složení okolního a dýchacího vzduchu v podzemních experimentálních jeskyních. Za účelem zjištění trvale dokonalého stavu je vzduch nepřetržitě odsáván a analyzován z více než 100 měřicích bodů uvnitř i vně detektoru. To je o to důležitější, že „Compact“, jak je obsažen v názvu experimentu CMS, také znamená, že nemůžete rychle a všude a v každém okamžiku zasáhnout. Protože v případě kritické situace, jako je únik plynu nebo požár uvnitř detektoru, by přístup do vnitřních prostor pomocí nouzových otvorů trval až 2 týdny.
V minulosti pracovalo pro každé místo pro odsávání vzduchu samostatné analytické zařízení, což vedlo k vysokým nákladům. namáhavost údržby a úroveň chybovosti byly pro standardy CERN také příliš vysoké. Od začátku roku 2016 zajišťují ventilové terminály VTSA, aby se proudy vzduchu dostaly k analytickým zařízením co nejrychleji. Nové řešení snižuje počet požadovaných analytických zařízení s faktorem 10. Proudění vzduchu je nyní centrálně propojeno a přiřazeno k následným analytickým zařízením. Hlavní ventily VTSA, řízené stlačeným vzduchem, mají tu výhodu, že nejsou citlivé na magnetismus detektoru CMS. Ventilový terminál byl nakonfigurován tak, aby splňoval individuální požadavky pro použití v CERN. Nejdůležitější technická adaptace: reverzibilní provoz.
Za normálního provozu je vzduch, který má být analyzován, přiváděn měřicím potrubím přes ventilový terminál do následné analytické stanice. Současně jsou všechna ostatní měřicí vedení, dlouhá celé metry, trvale v režimu podtlaku. Při přepnutí na další měřicí potrubí je tedy aktuální okolní vzduch přímo u příslušného ventilu. Díky této přizpůsobivé aplikaci představují vysoce kvalitní standardní komponenty VTSA inteligentní technické řešení, které detektoru CMS poskytuje udržitelné zvyšování efektivity, pokud jde o efektivitu a náklady.
Společný projekt automatizované analýzy vzduchu byl zahájen v srpnu 2015; jednotky byly dodány na konci října. Nový systém byl uveden do provozu počátkem roku 2016. „Jako dodavatele této technologie jsme si vybrali společnost Festo, protože výrobky Festo používáme k naší úplné spokojenosti v CERN a CMS již léta,“ vysvětluje Gerd Fetchenhauer, CMS Gas Safety Officer ve společnosti CERN.
Dříve jsme prostě nakupovali jednotlivé komponenty, ale hotové kompletní řešení připravené k přímé instalaci je první svého druhu v dlouhodobé spolupráci mezi společnostmi Festo a CERN a může tvořit základ pro podobné aplikace v jiných detektorech v zařízení Large Hadron Collider. Takže mnoho malých kroků povede v budoucnu k novým velkým vědeckým objevům.