Как добывают десятки тысяч тонн аргона для научных исследований?
Ученые запустили масштабный проект, рассчитанный на десятилетия, с целью изучения поведения нейтрино — одних из самых загадочных частиц во Вселенной. Для этого необходимы детекторы, содержащие десятки тысяч тонн жидкого аргона. Но как вообще можно добыть такое количество этого газа?
Аргон — химический элемент из группы инертных газов, который, в отличие от многих других веществ, практически не вступает в химические реакции. Его можно назвать «тяжёлым родственником» гелия, однако, в отличие от последнего, аргон не изменяет тембр голоса.
Фраза «тяжёлый родственник гелия» связана с тем, что аргон и гелий принадлежат к одной группе элементов — это инертные газы. Однако, аргон значительно тяжелее гелия, так как его атомная масса составляет около 40 а.м.е., тогда как у гелия всего 4 а.м.е.
Что касается изменения голоса:
Гелий делает голос выше, потому что его плотность намного ниже, чем у воздуха. Когда человек вдыхает гелий, звуковые волны распространяются быстрее, что изменяет резонанс в голосовых связках и делает голос «мультяшным».
Аргон, напротив, тяжелее воздуха, и если его вдохнуть, он бы наоборот, сделал голос ниже, но не так заметно, как гелий. Однако, в отличие от гелия, такие эксперименты с аргоном опасны, так как он может вызвать нехватку кислорода.
Нейтрино — крайне неуловимые частицы: подавляющее большинство из них, например, рожденные в недрах Солнца, способны без препятствий пройти сквозь всю Землю. Однако, несмотря на редкие взаимодействия, они всё же могут сталкиваться с атомами вещества, в том числе и в детекторах. Именно эти редкие столкновения помогают физикам фиксировать частицы и изучать их свойства.
Но вернёмся к аргоновым резервуарам. Как учёные получают и транспортируют десятки тысяч тонн этого вещества? Ответ на этот вопрос кроется в современных технологиях добычи и хранения криогенных жидкостей, а также в тонкостях работы крупнейших научных лабораторий.
Жидкий аргон: идеальная среда для ловли нейтрино
Современные нейтринные детекторы всё чаще используют жидкий аргон в качестве рабочей среды. Этот газ отличается достаточно высокой атомной массой, что делает его хорошей мишенью для взаимодействия с нейтрино. В жидком состоянии он внешне напоминает воду — прозрачную, но невероятно холодную.
Когда нейтрино сталкиваются с атомами аргона, в результате взаимодействия образуется целый «салют» новых частиц, которые продолжают движение внутри детектора. Проходя через среду, они выбивают электроны из других атомов аргона. Благодаря мощным электрическим полям учёные собирают эти электроны, что позволяет им восстановить траектории образовавшихся частиц и, проанализировав их поведение, глубже понять свойства нейтрино и характер их взаимодействий.
Жидкий аргон обладает и другими преимуществами для изучения нейтрино, благодаря чему он широко применяется в экспериментах. Например, в детекторе MicroBooNE использовалось 170 тонн этого вещества, в SBND — 270 тонн, а в ICARUS — 760 тонн. Однако все эти установки бледнеют по сравнению с гигантским проектом DUNE, который сейчас находится в стадии строительства. По завершении его работы планируется использовать ошеломляющие 70 000 тонн жидкого аргона.
Но возникает важный вопрос: где взять такое количество жидкого аргона? Здесь есть хорошие и плохие новости. Хорошая новость заключается в том, что жидкий аргон широко применяется в промышленности — его используют, например, в сварочных работах и производстве высокоточной электроники. Плохая же новость в том, что даже самый чистый промышленный аргон недостаточно чист для нейтринных исследований.
Так что перед учёными стоят две ключевые задачи: как добывать аргон и что нужно сделать, чтобы довести его до необходимого уровня чистоты для работы с нейтрино? Разберёмся с этим подробнее.
Как добывают жидкий аргон в промышленных масштабах
Оказывается, аргон — довольно распространённый элемент на Земле. Он составляет около 1% воздуха, которым мы дышим каждый день. Именно из атмосферы компании добывают этот газ. Основные компоненты воздуха — это азот (78%) и кислород (21%). Всё остальное — это как раз аргон, а также небольшие примеси углекислого газа, водяного пара и различных загрязнителей.
Процесс производства жидкого аргона начинается с очистки воздуха. Сначала его пропускают через фильтры, удаляя воду, углекислый газ, пыль и прочие примеси. Затем воздух охлаждают до экстремально низких температур, пока он не превращается в жидкость. На этом этапе жидкий воздух внешне напоминает воду, только при этом остаётся невероятно холодным.
После получения жидкого воздуха начинается его разделение на компоненты. Этот процесс основан на разнице в температурах кипения различных газов:
- азот кипит при 77 К (-196°C),
- аргон при 87 К (-186°C),
- кислород при 90 К (-183°C).
Сначала жидкий воздух слегка нагревают до 77 К, и азот начинает испаряться. Когда он полностью удалён, остаются кислород и аргон. Далее температуру поднимают до 87 К, и аргон также испаряется, оставляя после себя только жидкий кислород. Испарившийся аргон затем собирают и снова охлаждают, превращая его в жидкость. Это по сути процесс дистилляции, аналогичный методам, используемым при производстве крепких алкогольных напитков или нефтепродуктов.
Но добыча аргона — это только первый этап. Чтобы он стал пригодным для работы с нейтрино, требуется нечто большее: он должен быть очищен до невероятно высокой степени чистоты.
Почему чистота жидкого аргона имеет решающее значение?
Даже коммерчески доступный аргон отличается высокой степенью чистоты — уровень примесей в нём может составлять всего 0,1 части на миллион (ppm). Это означает, что в 70 000 тонн жидкого аргона содержится всего около 7 килограммов примесей. Звучит довольно чисто, но достаточно ли этого для нейтринного детектора?
Чтобы жидкий аргон мог эффективно работать в крупномасштабной установке, такой как DUNE, он должен позволять электронам перемещаться на несколько метров без значительных потерь. Это связано с тем, что точка взаимодействия нейтрино может находиться далеко от датчиков, регистрирующих сигнал. Можно провести аналогию: движение электронов в аргоне похоже на прохождение света через стекло. Если стекло хоть немного мутное, дальность видимости резко снижается. В случае с аргоном даже минимальное количество загрязняющих веществ может помешать электронам двигаться.
Главный «враг» в этом процессе — кислород. Этот элемент чрезвычайно реактивен и активно взаимодействует с электронами. Даже небольшое количество кислорода делает перемещение электронов практически невозможным. Если бы в детектор залили обычный промышленный аргон, электроны смогли бы пройти в нём всего около двух миллиметров, а для работы нейтринных учёных требуется несколько метров.
Чтобы детектор функционировал должным образом, необходимо довести чистоту жидкого аргона до 10 частей на триллион (ppt), что в несколько тысяч раз чище, чем то, что можно купить на рынке.
Добиться такой чистоты — непростая задача, но она выполнима. Для этого используют химическую особенность кислорода — его способность легко вступать в реакции. Если пропустить аргон через фильтрующую систему, содержащую специальные металлы, они захватывают молекулы кислорода, оставляя аргон практически без примесей. Этот процесс позволяет получить ультрачистый жидкий аргон, готовый для использования в детекторах нейтрино.
Но насколько сложно организовать такую систему очистки? И какие технологии позволяют поддерживать столь высокий уровень чистоты на протяжении долгого времени?
Как удержать жидкий аргон в идеальной чистоте и доставить его на глубину в милю?
Для очистки аргона в эксперименте DUNE используют медные фильтры, хотя существуют и другие варианты. Благодаря этой технологии учёным удалось достичь невероятного уровня чистоты — 10 частей на триллион. Чтобы представить масштаб этой точности, достаточно сказать, что в 70 000 тонн жидкого аргона содержится всего один грамм примесей.
Звучит просто? На самом деле — совсем нет. Одной из главных сложностей является транспортировка аргона. Детекторы DUNE располагаются на глубине около 1,6 километра под землёй, что ставит перед инженерами крайне нетривиальную задачу: как доставить 70 000 тонн жидкого аргона на такую глубину, не потеряв при этом его чистоту?
Решение выглядит так:
- Аргон доставляют на наземный комплекс в жидком виде.
- Затем его испаряют, превращая в газ.
- Газообразный аргон закачивают в подземные хранилища через специальную систему труб.
- Внизу работают мощные холодильные установки, которые снова сжижают аргон перед тем, как его заливают в детекторы.
И это ещё не всё. В реальных условиях нужно учитывать множество потенциальных проблем: возможные утечки, загрязнения в трубопроводах, насосах, холодильных установках. Это настоящий вызов, требующий постоянного контроля. Обеспечение чистоты аргона — бесконечная борьба, и здесь огромную роль играют инженеры и техники, которые поддерживают систему в идеальном состоянии.
Так устроен процесс получения, очистки и транспортировки жидкого аргона для нейтринных экспериментов. Это сложнейшая инженерная задача, но она даёт возможность продвинуться в понимании самых фундаментальных вопросов физики.