Neues Beschleunigerprojekt schließt transatlantischen Transporttest erfolgreich ab

13. Dezember 2022 | Madeleine O'Keefe

Der stärkste Neutrinostrahl der Welt ist der Realität einen Schritt näher gekommen. Das Projekt Proton Improvement Plan II (PIP-II) erreichte im Oktober einen Meilenstein, als es erfolgreich einen Transporttest einer „Dummy Load“ zwischen dem Fermi National Accelerator Laboratory des US-Energieministeriums außerhalb von Chicago und dem Daresbury Laboratory in England außerhalb durchführte von Liverpool. Der Test bestätigte, dass die Systemforscher die empfindlichen Kryomodule transportieren werden, die einen großen Teil eines neuen linearen Protonenbeschleunigers bei Fermilab bilden werden. Die neue Maschine wird die Produktion von Neutrinos für das Deep Underground Neutrino Experiment antreiben.

Mitglieder der internationalen PIP-II-Zusammenarbeit aus dem Vereinigten Königreich, Frankreich und Indien werden die für das Projekt benötigten Kryomodule entwickeln, herstellen und zusammenbauen. Die Fertigstellung ist für 2028 geplant. Um sicherzustellen, dass die fertiggestellten Kryomodule Fermilab sicher erreichen, arbeitet das PIP-II-Team führt rechtzeitig im Vorfeld umfangreiche Transporttests durch.

Der Rahmen steigt in O'Hare in das Frachtflugzeug. Foto: Brian Hartsell, Fermilab

Für den ersten Test Anfang dieses Jahres bauten PIP-II-Mitarbeiter einen Transportrahmen zusammen, der als Blaupause für den späteren Transportrahmen des Kryomoduls dienen wird, und führten eine Probefahrt damit auf einer Autobahn durch. Das PIP-II-Team des Science and Technology Facilities Council of UK Research and Innovation (STFC UKRI) leitete mit Unterstützung von Fermilab das Design des Rahmens.

Zu Testzwecken belud das Team den Rahmen mit einem Kryomodul-Analogon namens Dummy Load: Betonblöcke mit den Abmessungen, dem Gewicht und den Befestigungspunkten des eigentlichen Kryomoduls, das 10 Meter lang sein und 27.500 Pfund oder 12.500 Kilogramm wiegen wird.

Der jüngste Test – die erste transatlantische Reise des Rahmens – begann am 23. September im Industrial Center Building von Fermilab in Batavia, Illinois. Dort installierte das Team die Dummy-Ladung und befestigte sie im Transportrahmen, genau wie ein Kryomodul. Sie statteten das System außerdem mit Sensoren aus, um die während des Tests beobachteten Stöße zu erfassen.

Am 26. September verließ der Rahmen Fermilab in Batavia und reiste per Anhänger zum O'Hare International Airport in Chicago. Zwei Tage später wurde es in ein Frachtflugzeug verladen und flog nach Luxemburg; Der Flughafen Luxemburg ist Hauptsitz und Drehkreuz einer Frachtfluggesellschaft, daher müssen alle Frachtflüge zunächst durch das kleine Land fliegen. Am Flughafen Luxemburg trafen mehrere Mitglieder des Fermilab PIP-II-Teams auf den Rahmen. Mit einem großen Kran luden sie es aus dem Flugzeug, hoben es dann auf den Anhänger eines Lastwagens und bedeckten es mit einer Plane für den Roadtrip ins Vereinigte Königreich, der am 30. September startete.

„Die erfolgreiche Validierung des Transportrahmens mithilfe der Dummy-Last ist ein Beweis für die engagierte internationale Zusammenarbeit, die PIP-II umfasst.“ – Saravan Chandrasekaran

Nach einer langen Autofahrt, einschließlich der Durchfahrt durch den Kanaltunnel, erreichte der Rahmen am 3. Oktober das Daresbury Laboratory, ein Forschungslabor in der Nähe von Liverpool, das vom STFC UKRI betrieben wird. PIP-II-Partner entfernten die Paneele und die Ersatzlast vom Rahmen und untersuchte die Sensoren, Stoßstangen, Federn und andere Hardware. Nachdem sie alle Komponenten überprüft hatten, bauten sie das Transportsystem wieder zusammen, verluden es auf den LKW und schickten es am 5. Oktober auf den Rückweg nach Fermilab. Die Ersatzladung traf am 11. Oktober wieder in Batavia, Illinois, ein.

„Ich würde das als vollen Erfolg bezeichnen“, sagte Jeremiah Holzbauer, Leiter des PIP-II-Transportteilprojekts bei Fermilab. „Alles verlief so gut, wie wir es uns erhoffen konnten.“

Jon Lewis, Projektmanager für den STFC-Beitrag zu PIP-II, stimmte zu. „Dies ist für uns eine bedeutende Risikominimierungsmaßnahme – und ein echter Test des von Mitchell Kane aus unserer Projekt- und Maschinenbaugruppe entworfenen Rahmens“, sagte er. „Es ist auch großartig, unsere Fermilab-Kollegen erneut im Daresbury Laboratory begrüßen zu können. Die enge Zusammenarbeit mit Jeremiah Holzbauer, Adam Wixson und Ryan Thiede hat unsere Arbeitsbeziehung zwischen den beiden Laboren gestärkt.“

Saravan Chandrasekaran, technischer Manager für das 650-MHz-Kryomodul PIP-II bei Fermilab, sagte: „Die erfolgreiche Validierung des Transportrahmens mithilfe der Dummy-Last ist ein Beweis für die engagierte internationale Zusammenarbeit, die PIP-II umfasst.“

Der LKW fährt zurück in die Anlage des UKRI-STFC. Foto: Mitchell Kane, Fermilab

Das Team führte den Test mit möglichst realistischen Verfahren, Techniken und Aufsicht durch. Vom Isolationssystem und der Vibrationsinstrumentierung bis hin zu Handhabung, Logistik und Zoll hat der Test genau nachgebildet, was die echten Kryomodule während des Transports durchmachen werden. Die gute Nachricht: Alle Aspekte des Transportsystems wurden durch diesen Test als validiert angesehen.

Der nächste Schritt von PIP-II besteht darin, denselben Rahmen zu verwenden, um einen komplexen Prototyp eines Kryomoduls, der derzeit bei Fermilab zusammengebaut wird, nach Großbritannien und zurück zu versenden. Das Testen des Prototyps vor dem Versand, während des STFC UKRI und nach seiner Rückkehr wird zeigen, dass der Transportprozess diese empfindlichen Systeme während des langen Transports schützen kann. Dieser Test ist derzeit für Anfang 2023 geplant.

In einigen Jahren wird STFC die Produktionskryomodule in ihrem eigenen Transportrahmen für den Bau von PIP-II an Fermilab liefern.

„Das starke Kooperationsprogramm, das wir mit Fermilab für die Lieferung supraleitender Kryomodule für PIP-II durch STFC haben, hängt in hohem Maße von unserer Fähigkeit ab, diese hochkomplexen und fragilen Systeme sicher über eine extrem große Entfernung zu transportieren“, sagte Peter McIntosh, technischer Koordinator des STFC UKRI für PIP -II und stellvertretender Direktor des Accelerator Scence and Technology Center im Daresbury Laboratory des STFC. „Der von uns entwickelte Transportrahmen ist entscheidend dafür, dass wir ausreichend Schutz bieten können.

„Dieser kürzlich durchgeführte Transporttest hat nicht nur wichtige Beweise dafür geliefert, wie Stoßbelastungen effektiv unterdrückt wurden, sondern hat es den Daresbury-Teams auch ermöglicht, viele der lokalen Logistikverfahren zu überprüfen“, sagte McIntosh. „Diese erste Bewertung wird sich als unglaublich wichtig für die nächste große Validierung erweisen.“

Das Fermi National Accelerator Laboratory wird vom Office of Science des US-Energieministeriums unterstützt. Das Office of Science ist der größte Einzelförderer der Grundlagenforschung in den Naturwissenschaften in den Vereinigten Staaten und arbeitet an der Bewältigung einiger der dringendsten Herausforderungen unserer Zeit. Weitere Informationen finden Sie unter science.energy.gov.