Suhu Ultra-Dingin yang Dibutuhkan untuk Sains Nuklir yang Luar Biasa
ORBITINDONESIA.COM - Salah satu fasilitas ilmiah tercanggih di dunia beralih ke suhu ultra-rendah untuk mencoba mengungkap rahasia tersembunyi Alam Semesta kita.
Ini adalah salah satu instalasi ilmiah paling terkenal di dunia – dan sedang mendapatkan peningkatan yang keren. Para fisikawan menggunakan Large Hadron Collider (LHC), yang terkubur di tanah di perbatasan antara Prancis dan Swiss, untuk mengungkap rahasia partikel-partikel kecil yang membentuk Alam Semesta kita. LHC bekerja dengan menumbukkan beberapa partikel ini satu sama lain dan mengamati apa yang terjadi ketika mereka bertabrakan.
Pada tahun 2030-an, LHC – yang dibangun oleh Organisasi Eropa untuk Penelitian Nuklir (CERN) – akan menghasilkan lebih banyak tabrakan ini. Idenya adalah untuk mendapatkan pengukuran yang lebih tepat dari partikel subatomik yang menghasilkan benturan tersebut.
Jika ada pengukuran yang menyimpang dari nilai yang didefinisikan oleh apa yang disebut Model Standar fisika, maka, "kita akan tahu pasti ada fisika baru," kata Martin Aleksa, koordinator teknis eksperimen Atlas di CERN. "Inilah tujuan besar LHC."
Namun, yang mengejutkan, penelitian perintis yang menyelidiki seluk-beluk materi itu sendiri bergantung, setidaknya sebagian, pada teknologi yang juga digunakan di lemari es supermarket. Suhu rendah sangat dihargai oleh banyak ilmuwan.
Eksperimen dingin dapat memperlambat partikel subatomik atau menstabilkan material sedemikian rupa sehingga lebih mudah dipelajari, misalnya. Inilah yang terjadi ketika sains menjadi dingin.
"[Kami] ingin menjadi salah satu pemimpin teknologi dengan penukar panas ini, jadi kami mulai mengembangkannya bersama CERN," kata Stefan Brohm, kepala insinyur bisnis di Swep, produsen penukar panas – perangkat yang memindahkan panas dari satu fluida ke fluida lain, misalnya.
Berbagai jenis penukar panas digunakan di lemari es, pompa panas, mobil, dan bahkan mesin pesawat untuk mentransfer panas. Dalam hal ini, penukar panas Swep – setelah peningkatan LHC selesai – akan membantu mendinginkan bagian-bagian eksperimen Atlas LHC hingga -45C (-49F) dalam upaya untuk mengurangi kebisingan elektronik yang terkait dengan radiasi, jelas Aleksa.
Penukar panas spesifik yang dikembangkan Swep untuk peningkatan LHC memungkinkan penggunaan karbon dioksida sebagai refrigeran. Meskipun merupakan gas rumah kaca, karbon dioksida jauh kurang berbahaya daripada refrigeran yang digunakan dalam sistem sebelumnya, sehingga peralihan ini merupakan peningkatan dalam hal keberlanjutan.
Setelah mengembangkan penukar panas baru untuk CERN, Swep mengatakan bahwa perangkat yang sama juga memiliki aplikasi dalam pendinginan industri dan komersial – seperti di lemari pendingin supermarket. "Ini membuka kemungkinan untuk sistem lain," kata Brohm.
Berbagai perusahaan lain secara terpisah telah mengembangkan teknologi penukar panas karbon dioksida mereka sendiri sebagai bagian dari tren umum menuju refrigeran yang kurang merusak iklim.
Yifeng Yang, direktur Institut Kriogenik dalam bidang Teknik dan Ilmu Fisika di Universitas Southampton di Inggris, mengatakan bahwa banyak lemari pendingin, termasuk beberapa peralatan pendingin di LHC, menggunakan siklus kompresi uap, di mana refrigeran menyerap panas dan kemudian dikompresi, yang meningkatkan tekanan dan suhunya sehingga panas dapat dipindahkan ke tempat lain. Dengan melakukan ini berulang kali, Anda dapat mendinginkan sebuah ruangan – atau sebuah eksperimen raksasa.
Namun bagian lain dari LHC membutuhkan suhu yang jauh lebih rendah daripada Atlas – wilayah-wilayah di dalam kolider ini termasuk di antara tempat-tempat terdingin di Bumi. Misalnya, lebih dari 1.000 elektromagnet yang tersebar di sekitar instalasi didinginkan hingga suhu yang sangat rendah yaitu 1,9 Kelvin (-271C/-456F).
Di bawah 10 Kelvin (-263C/-441F), kumparan kawat niobium-titanium di jantung elektromagnet LHC menjadi superkonduktor – artinya kumparan tersebut memungkinkan listrik untuk melewatinya tanpa hambatan. Ini memastikan kumparan tersebut tidak terlalu panas.
Mencapai suhu seperti itu membutuhkan waktu berminggu-minggu dan bergantung pada pendinginan helium cair secara bertahap dalam berbagai tahap hingga mencapai suhu target 1,9 Kelvin (-271C/-456F). Suhu tersebut bahkan lebih dingin daripada Nebula Boomerang, tempat alami terdingin yang diketahui di Alam Semesta.
Salah satu teknologi kunci yang digunakan para ilmuwan untuk mencapai suhu super rendah yang juga bergantung pada helium disebut pendinginan pengenceran. Teknologi ini menggunakan dua isotop helium: helium-4 dan helium-3 – angka-angka tersebut merujuk pada jumlah proton dan neutron dalam inti setiap atom.
Helium-4 digunakan dalam balon pesta, sedangkan helium-3 adalah salah satu zat termahal di dunia. Harganya berfluktuasi, tetapi satu liter zat ini dapat berharga ribuan pound, kata Richard Haley, profesor fisika suhu rendah di Universitas Lancaster di Inggris.
Suhu rendah menyebabkan helium-3 sebagian besar terpisah dari dan mengapung di atas helium-4, sedikit seperti minyak di atas air. Ketika beberapa atom helium-3 kemudian dipompa ke bawah ke wilayah yang sebagian besar terdiri dari atom helium-4 di bawahnya, atom-atom tersebut menyerap panas dalam proses tersebut, yang memiliki efek pendinginan yang signifikan. ***
