September 29, 2022

Pada tanggal 5 Juli, menandai berakhirnya jeda tiga tahun, Large Hadron Collider CERN akan mulai mengumpulkan data. Ini akan meluncurkan sinar partikel berenergi tinggi ke arah yang berlawanan di sekitar lingkaran sepanjang 16 mil untuk menciptakan tabrakan eksplosif. Para ilmuwan akan menyaksikan pembantaian dengan detektor presisi tinggi dan menyaring puing-puing untuk partikel yang mengungkapkan cara kerja alam semesta kita.

Tetapi untuk melakukan semua itu, LHC membutuhkan listrik: cukup untuk memberi daya pada kota kecil. Sangat mudah bagi seseorang di luar CERN untuk bertanya-tanya mengapa satu fasilitas fisika membutuhkan semua kekuatan itu. Fisikawan partikel tahu bahwa tuntutan ini ekstrem, dan banyak dari mereka mencoba membuat penumbuk masa depan lebih efisien.

“Saya pikir ada peningkatan kesadaran di masyarakat bahwa fasilitas akselerator perlu mengurangi konsumsi energi jika memungkinkan,” kata Thomas Roser, fisikawan yang sebelumnya bekerja di Brookhaven National Laboratory di New York.

Para ilmuwan telah menyusun rencana untuk penerus yang diusulkan LHC—yang disebut Future Circular Collider (FCC), dengan keliling hampir empat kali lebih besar dari LHC, secara harfiah mengelilingi sebagian besar kota Jenewa. Saat mereka melakukan itu, mereka melihat beberapa, terkadang tak terduga, sumber penggunaan energi dan emisi gas rumah kaca—dan bagaimana menguranginya.

Biaya jaringan

LHC, terlepas dari ukuran dan tuntutan energinya, tidak begitu padat karbon untuk beroperasi. Pertama, CERN memperoleh listriknya dari jaringan Prancis, yang portofolio pembangkit listrik tenaga nuklirnya menjadikannya salah satu yang paling tidak bergantung pada karbon di dunia. Letakkan LHC di tempat dengan jaringan bahan bakar fosil yang berat, dan jejak iklimnya akan sangat berbeda.

“Kami sangat beruntung … jika itu terjadi di AS, itu akan mengerikan,” kata Véronique Boisvert, fisikawan partikel di Royal Holloway, University of London.

See also  EPA masih bisa melawan perubahan iklim. Begini caranya.

Tetapi dampak iklim dari tabrakan itu menyebar jauh melampaui sektor kecil di pinggiran kota Jenewa. Fasilitas seperti CERN menghasilkan banyak data mentah. Untuk memproses dan menganalisis data itu, fisika partikel bergantung pada jaringan global superkomputer, kluster komputer, dan server—yang terkenal haus kekuasaan. Setidaknya 22 ada di AS.

Para ilmuwan dapat merencanakan untuk membangun jaringan ini atau menggunakan komputer di tempat-tempat dengan listrik rendah karbon: California, katakanlah, di atas Florida.

“Mungkin kita juga harus memikirkan berapa emisi karbon per siklus CPU dan menggunakannya sebagai faktor dalam merencanakan teknologi Anda, sebanyak yang Anda lakukan untuk efisiensi biaya atau daya,” kata Bloom.

[Related: The biggest particle collider in the world gets back to work]

Meskipun akselerator itu sendiri hanya sebagian kecil dari jejak karbon fisika partikel, Bosivert percaya bahwa para peneliti harus merencanakan untuk mengurangi konsumsi energi fasilitas tersebut. Pada saat FCC online pada tahun 2040-an dan 2050-an, dekarbonisasi berarti bahwa FCC harus bersaing untuk mendapatkan sumber daya di jaringan listrik dengan lebih banyak mobil dan peralatan daripada yang ada saat ini. Dia pikir bijaksana untuk merencanakan ke depan untuk saat itu.

Tujuan mengurangi penggunaan daya adalah sama, kata Bosivert. “Anda masih perlu meminimalkan daya, tetapi untuk alasan yang berbeda.”

Memulihkan energi

Atas nama efisiensi dan konservasi energi, para ilmuwan sedang mempelajari beberapa teknologi yang dapat membantu membuat “akselerator hijau”.

Pada tahun 2019, para peneliti di Cornell University dan Brookhaven National Lab meluncurkan akselerator prototipe yang disebut Cornell-Brookhaven ERL Test Accelerator (CBETA). Hebatnya, dalam demonstrasi, CBETA memulihkan semua energi yang dimasukkan para ilmuwan ke dalamnya.

“Kami mengambil teknologi yang ada, sampai batas tertentu, dan meningkatkannya serta memperluas penerapannya,” kata Georg Hoffstaetter, fisikawan di Cornell University.

See also  Kutipan buku Nelayan dan Naga

CBETA meluncurkan elektron berenergi tinggi melalui lingkaran berbentuk arena pacuan kuda yang bisa muat di dalam gudang. Dengan setiap “putaran”, elektron memperoleh dorongan energi. Setelah empat putaran, mesin dapat memperlambat elektron dan menyimpan energinya untuk digunakan kembali. CBETA adalah pertama kalinya fisikawan memulihkan energi setelah banyak putaran penuh.

Ini bukan teknologi baru, tetapi karena fisikawan partikel semakin tertarik untuk menghemat energi, teknologi serupa ada dalam rencana FCC. “Ada pilihan untuk [FCC] yang menggunakan pemulihan energi,” kata Hoffstaetter. Partikel yang tidak pecah dapat dipulihkan.

CBETA juga menghemat energi dengan menggunakan magnet yang berbeda. Sebagian besar akselerator partikel menggunakan elektromagnet untuk memandu partikelnya di sepanjang busur. Elektromagnet mendapatkan kekuatan magnetnya dari mengalirkan listrik di sekitarnya; matikan sakelar, dan medan magnet menghilang. Dengan mengganti elektromagnet dengan magnet permanen yang tidak membutuhkan listrik, CBETA dapat menghemat penggunaan energi.

“Teknologi ini agak menarik,” kata Hoffstater. “Mereka diakui dan mereka dimasukkan ke dalam proyek baru untuk menghemat energi.”

Beberapa dari proyek tersebut lebih dekat dengan penyelesaian daripada FCC. Perancang penumbuk baru di Brookhaven, yang menghancurkan elektron dan ion bersama-sama, telah merencanakan pemulihan energi. Di Jefferson Lab, fasilitas akselerator di Newport News, Virginia, para ilmuwan sedang membangun akselerator yang jauh lebih besar yang menggunakan magnet permanen.

Ini bukan satu-satunya cara energi dari penumbuk partikel menemukan kehidupan baru. Sebagian besar energi penumbuk berubah menjadi panas. Kehangatan itu dapat dimanfaatkan: CERN telah bereksperimen dengan menyalurkan panas ke rumah-rumah di kota-kota yang mengelilingi LHC.

Pelaku gas

Tetapi berfokus pada emisi karbon dari fasilitas ini melewatkan sebagian dari gambarannya—bahkan, bagian terbesarnya. “Itu bukan sumber emisi yang dominan,” kata Bosivert. “Sumber dominan adalah gas yang kami gunakan dalam detektor partikel kami.”

See also  Mengapa masalah nyamuk di India semakin parah

Untuk menjaga peralatan pada suhu ideal untuk mendeteksi partikel, peralatan yang sangat sensitif perlu didinginkan oleh gas—mirip dengan gas yang digunakan di beberapa lemari es. Gas-gas itu harus tidak mudah terbakar dan tahan terhadap radiasi tingkat tinggi, bahkan sambil mempertahankan suhu yang didinginkan.

Gas pilihan jatuh ke dalam kategori hidrofluorokarbon (HFC) dan perfluorokarbon (PFC). Beberapa di antaranya adalah gas rumah kaca, jauh lebih kuat daripada karbon dioksida. C2H2F2HFC CERN yang paling umum, memerangkap panas 1.300 kali lebih efektif.

LHC sudah mencoba menangkap gas-gas ini, menggunakannya kembali, dan menghentikannya memuntahkan ke atmosfer. Namun, prosesnya belum sempurna. “Banyak dari ini adalah bagian dari eksperimen yang benar-benar sulit untuk diakses,” kata Bloom. “Kebocoran bisa berkembang di sana. Mereka akan sangat sulit untuk diperbaiki.”

[Related: Scientists found a fleeting particle from the universe’s first moments]

Dari sudut pandang logistik, penggunaan HFC dan PFC menimbulkan masalah pengadaan. Beberapa yurisdiksi—Uni Eropa—bergerak untuk melarangnya. Bosivert mengatakan ini telah menyebabkan fluktuasi harga yang liar.

“Saat Anda merancang detektor masa depan, Anda tidak dapat menggunakan gas itu lagi,” kata Bosivert. “Semua R&D ini—’Oke, gas apa yang akan kita gunakan?’—harus terjadi sekarang, intinya.”

Ada alternatif. Salah satunya, sebenarnya, adalah karbon dioksida itu sendiri. CERN telah memasang kembali beberapa detektor LHC untuk mendinginkan diri dengan senyawa itu. Itu tidak sempurna, tetapi ini adalah peningkatan.

Ini adalah jenis pilihan yang ingin dilihat banyak ilmuwan dalam diskusi perencanaan untuk akselerator masa depan.

“Sama seperti biaya moneter yang menjadi pertimbangan dalam perencanaan fasilitas masa depan, eksperimen masa depan, program fisika masa depan,” kata Bloom, “kita dapat memikirkan biaya iklim dengan cara yang sama.”