W CERN, największym na świecie laboratorium fizyki cząstek elementarnych, tysiące naukowców ciężko pracuje, aby rozgryźć nierozwiązane zagadki fizyki. Technologia automatyzacji, wykorzystana w sposób inteligentny i elastyczny, skutecznie wspiera badania naukowe. Na przykład wyspa zaworowa VTSA firmy Festo steruje procesami analizy powietrza w kawernie eksperymentalnej kompaktowego detektora „Compact Muon Solenoid“ (CMS).
Głęboko pod ziemią, w pobliżu Jeziora Genewskiego, gigantyczne detektory Wielkiego Zderzacza Hadronów (LHC) w CERN (Europejska Organizacja Badań Jądrowych) przesiewają strumień cząstek subatomowych i zbierają gigantyczne ilości danych, które są analizowane przez potężne algorytmy. Nowoczesne technologie sprawiają, że maleńkie cząsteczki, które trzymają kosmos razem, są widoczne na większą skalę.
Kamieniem milowym w fizyce cząstek elementarnych było odkrycie w 2012 roku w CERN-ie bozonu Higgsa. Już w latach 60. XX wieku naukowcy Robert Brout, François Englert i Peter Higgs przewidzieli jego istnienie. Zgodnie z obowiązującym wówczas Standardowym Modelem Fizyki, ściśle rzecz biorąc, masa nie mogła istnieć. Cząstki subatomowe powinny rzeczywiście poruszać się z prędkością światła. W rezultacie jednak nie miałyby one żadnej masy. Mimo to, trójka badaczy stworzyła teorię pola Higgsa. Pole Higgsa spowalnia najmniejsze cząstki - porównywalne do koralików przelatujących przez miód - i nadaje im bezwładność, a więc i masę, takie jest założenie. I rzeczywiście, 50 lat później nadszedł ten czas: protony zostały przyspieszone niemal do prędkości światła w eksperymentach w LHC, aby doprowadzić do ich zderzenia ze sobą. W procesie tym bozony Higgsa zostały uwolnione z pola Higgsa i były mierzalne, a więc faktycznie wykrywalne. Istnienie materii zostało udowodnione. Higgs i Englert otrzymali za swoją teorię Nagrodę Nobla z fizyki w 2013 roku, Brout zmarł w 2011 roku.
Badania prowadzone w CERN obejmują prace naukowe o wymiarach zapierających dech w piersiach. Założona w 1954 roku organizacja badawcza otrzymuje co roku prawie 1 mld euro dofinansowania od 22 państw członkowskich i zatrudnia obecnie ponad 2500 naukowców. Nad eksperymentami CERN pracuje ponad 12 000 zaproszonych naukowców z całego świata. Największe na świecie laboratorium fizyki cząstek elementarnych prowadzi sieć kilku akceleratorów, które przygotowują różne cząstki do szerokiej gamy eksperymentów. Należą do nich miony do badania struktury protonu, ciężkie jony do tworzenia nowych stanów materii oraz wiązki jonów radioaktywnych do obserwacji jąder egzotycznych.
Największym i najpotężniejszym akceleratorem cząstek na świecie jest LHC. Znajduje się on około 100 metrów pod ziemią w okrągłym tunelu o obwodzie około 27 kilometrów. LHC wykorzystuje silne pola elektryczne do przenoszenia energii na wiązki cząstek i prowadzi wiązki przez obiekt za pomocą pól magnetycznych. W procesie tym cząstki pochłaniają coraz więcej energii przyspieszenia, aż do momentu, gdy okrążają LHC z prędkością prawie równą prędkości światła - 11 245 razy na sekundę. Kiedy się zderzają, cztery gigantyczne detektory - CMS, ATLAS, ALICE i LHCb - rejestrują, co się dzieje.
Akcelerator cząstek LHC znajduje się na granicy Francji i Szwajcarii, na głębokości około 100 metrów.
Detektor CMS to zaawansowane technologicznie urządzenie detekcyjne o długości 21 metrów, średnicy 15 metrów i wadze 12 500 ton. Składa się ze 100 milionów pojedynczych elementów pomiarowych, wykonuje do 40 milionów pomiarów na sekundę i jest uważany za jeden z najbardziej złożonych i precyzyjnych instrumentów naukowych, jakie kiedykolwiek zbudowano. Aby uniknąć błędów pomiarowych, wszystkie czynniki wpływające na pomiar muszą mieścić się w określonych granicach tolerancji.
Do tych czynników należy również skład powietrza otaczającego i wentylacyjnego w kawernach podziemnych. Aby określić stały, doskonały stan, powietrze jest stale pobierane i analizowane wewnątrz i na zewnątrz detektora w ponad 100 punktach pomiarowych. Jest to tym bardziej istotne, że słowo "Compact" w nazwie oznacza również brak możliwości szybkiej interwencji w dowolnym miejscu i czasie. Wynika to z faktu, że w przypadku sytuacji krytycznej, takiej jak wyciek gazu lub pożar wewnątrz detektora, dostęp do pomieszczeń wewnętrznych przez otwory awaryjne trwałby do 2 tygodni.
W przeszłości każdy pojedynczy punkt odbioru powietrza miał osobne urządzenie analityczne, co prowadziło do wysokich kosztów. Ponadto koszty utrzymania i ewentualna awaryjność były zbyt wysokie jak na standardy CERN. Od początku 2016 roku wyspy zaworowe typu VTSA zapewniają jak najszybsze kierowanie strumieni powietrza do urządzeń analitycznych. Nowe rozwiązanie zmniejsza liczbę wymaganych urządzeń analitycznych dziesięciokrotnie. Przepływy powietrza są teraz łączone centralnie i przypisywane do kolejnych urządzeń analitycznych. Zawory główne VTSA sterowane pilotem na sprężone powietrze mają tę zaletę, że są niewrażliwe na magnetyzm detektora CMS. Do zastosowania w CERN wyspa zaworowa została skonfigurowana zgodnie z indywidualnymi wymaganiami. Najważniejszym dostosowaniem technicznym była praca rewersyjna.
W normalnym trybie pracy powietrze z linii pomiarowej jest kierowane przez wyspę zaworową do stacji analitycznej znajdującej się za nią. W tym samym czasie, wszystkie pozostałe linie pomiarowe znajdują się pod niskim ciśnieniem roboczym. Powietrze z zewnątrz dostępne jest zatem na zaworze podczas przejścia do kolejnej linii pomiarowej. To elastyczne zastosowanie pokazuje, że wysokiej jakości komponenty VTSA zapewniają inteligentne rozwiązanie pozwalające na zwiększenie wydajności i zmniejszenie kosztów działania CMS.
Wspólny projekt zautomatyzowanej analizy powietrza rozpoczął się w sierpniu 2015 roku; urządzenia zostały dostarczone pod koniec października. Nowy system został uruchomiony na początku 2016 roku. "Wybór Festo jako dostawcy tej technologii był dla nas oczywisty, ponieważ od wielu lat z bardzo dobrym skutkiem używamy ich produktów w CERN i CMS" - wyjaśnia Gerd Fetchenhauer, CMS Gas Safety Officer w CERN.
W przeszłości kupowano przede wszystkim pojedyncze komponenty, zaś nowe, gotowe do instalacji kompletne rozwiązanie systemowe jest pierwszym takim zakupem w wieloletniej historii współpracy pomiędzy Festo a CERN. Rozwiązanie to jest pierwszym z wielu zmian, mających stopniowo rozwijać Wielki Zderzacz Hadronów, umożliwiając nowe odkrycia naukowe. Tak, aby również w przyszłości wiele małych kroków prowadziło do nowych, wielkich odkryć naukowych.