De enorme deeltjesversneller LHC en diens nog veel grotere beoogde opvolger vallen totaal in het niet bij de machine die twee natuurkundigen nu hebben bedacht.
De 27 kilometer lange Large Hadron Collider, momenteel ’s werelds grootste en krachtigste deeltjesversneller, gaat voorlopig niet met pensioen. En diens beoogde opvolger, de 100 kilometer lange Future Circular Collider, zal op zijn best pas ergens halverwege deze eeuw met zijn werk beginnen. Toch hebben natuurkundigen James Beacham van de Amerikaanse Duke-universiteit en Frank Zimmermann van het Europese deeltjesinstituut CERN alvast een artikel online gezet over een nog futuristischere machine. De omtrek: 11.000 kilometer.
Zo’n apparaat zou duizend keer zo hoge botsingsenergieën kunnen halen als de LHC, stelt het tweetal. En hoe hoger de botsingsenergie, hoe zwaarder de deeltjes die bij zo’n botsing kunnen ontstaan. Een 11.000 kilometer lange versneller zou dus weleens deeltjes aan het licht kunnen brengen waarvan we het bestaan nog niet eens vermoeden.
Dit is hoe we wiskundefobie te lijf kunnen gaan
Sarah Hart vertelt hoe we de angst voor getallen en formules weg kunnen nemen.
Maar waar bouw je in hemelsnaam een cirkelvormige buis van 11.000 kilometer? Niet ergens hier op aarde, zo stellen Beacham en Zimmermann, maar helemaal rond de maan. De versneller die zij voor zich zien, heeft dan ook als werktitel de Circular Collider on the Moon, afgekort de CCM.
Afschermen tegen meteorieten
Een eerste keuze die je moet maken, is dan: bouw je die 11.000 kilometer lange pijp op of onder het maanoppervlak? Aan het oppervlak krijg je te maken met temperaturen die variëren van -173 graden Celsius ’s nachts tot 127 graden boven nul overdag.
Die ondergrens is op zich veelbelovend; dan zit je rond de temperaturen waarbij hogetemperatuursupergeleiders (zie het artikel in New Scientist juni 2021) hun werk doen. En supergeleidende magneten heb je wel nodig om de deeltjes in zo’n machine op te zwepen tot bijna de lichtsnelheid. Maar 127 graden is daar natuurlijk veel te heet voor.
Daar zou je omheen kunnen werken, schrijven Beacham en Zimmermann, door de CCM alleen te laten draaien als ie zich aan de nachtkant van de maan bevindt. Dan moet je hem wel wat kleiner maken dan de beloofde 11.000 kilometer, om ervoor te zorgen dat de volledige tunnel zich tegelijkertijd aan de koude kant bevindt. En accepteren dat ie een groot deel van de tijd uit staat.
Bovendien zou zo’n versneller continu blootstaan aan inslagen van meteorieten. Daar zou je hem dus goed voor moeten afschermen.
Nogal ruw
Het lijkt dan slimmer om de CCM ondergronds aan te leggen, net als de LHC. Om geen last te hebben van die extreme temperatuursverschillen hoef je bovendien maar 50 centimeter diep te gaan zitten. Jammer alleen dat de redelijk constante temperatuur die op die diepte heerst bij lange na niet laag genoeg is voor magneten die gebruikmaken van hogetemperatuursupergeleiding. Een flinke koelinstallatie zal dan dus onmisbaar zijn. Daarbij is het de vraag of je op zo’n diepte voldoende beschermd bent tegen meteorietinslagen.
Op een diepte van enkele tientallen tot honderden meters ben je wél helemaal veilige voor dit soort inslagen. ‘Maar als je zulke tunnels gaat boren, gaat de bouw fors meer kosten en langer duren’, waarschuwen Beacham en Zimmermann. Wel maakt het tweetal melding van bestaande plannen om op afstand in het maanoppervlak te boren.
Zelfs als de versneller aan het oppervlak komt, zal er trouwens geboord moeten worden. ‘Het maanoppervlak is nogal ruw’, schrijven de twee fysici. De hoogste punten steken bijna 11 kilometer boven wat je het zeeniveau van de maan zou kunnen noemen, de laagste liggen meer dan 9 kilometer onder ‘zeeniveau’.
Om zo min mogelijk last te hebben van die hoogteverschillen, zou de buis het beste langs de buitenrand van de maan kunnen gaan zoals die vanaf de aarde te zien is. En dan nog moet hij bijvoorbeeld over de maanzee Mare Humboldtanium heen geleid worden, ‘mogelijk kilometers boven het verzonken oppervlak’.
Miljoenen tonnen ijzer
Een ander pijnpunt zijn de magneten die de deeltjes in hun cirkelvormige baan moeten houden. Daarvan heeft de LHC er ruim 1200, elk 14 meter lang. De CCM zou er, hou je vast, meer dan een half miljoen nodig hebben – en dan ook nog van materialen die bij relatief hoge temperaturen supergeleidend zijn. Dat betekent ofwel duizenden tonnen zeldzame-aarde-elementen van de aarde naar de maan vervoeren, ofwel hopen dat het spul ter plekke te vinden is.
Een alternatief is om aan de slag te gaan met een in 2006 ontdekt type hogetemperatuursupergeleider: de iron-based superconductors. Probleem daarvan is dan weer dat je er miljoenen tonnen aan ijzer, fosfor en arseen voor nodig hebt.
En dan is er nog het benodige vermogen van de CCM: zo’n 10 terawatt. Ter vergelijking: de hele wereldbevolking verbruikt momenteel 18 tot 20 terawatt. ‘Dat betekent dat er heel wat energieproductie op de maan moet komen’, zegt natuurkundige Jordy de Vries van de Universiteit van Amsterdam en deeltjesinstituut Nikhef. ‘De auteurs hebben het over Dyson Belts (zonnepanelen in een baan rond de evenaar van de maan – red.), kernfusiereactoren enzovoorts: allemaal dingen die op het moment niet eens realistisch zijn op aarde. En zonnepanelen zijn problematisch vanwege de grote hoeveelheid straling op de maan.’
Vingeroefening
Een, eh, flinke uitdaging dus. Zo flink dat je bijna zou gaan denken dat het om een grap gaat. Maar, zo verzekert De Vries ons: ‘De auteurs zijn respectabele fysici en het artikel is geen onzin.’ Hij ziet het meer als een ‘quasi-serieuze vingeroefening rond de vraag: wat is het maximaal haalbare voor een deeltjesversneller?’.
Wel moge duidelijk zijn dat, mochten we écht een versneller rond de maan willen, die er niet binnen afzienbare tijd zal zijn. Goed, de bouw zelf hoeft volgens Beacham en Zimmermann maar een jaar of vijftien in beslag te nemen. Maar dan moet wel eerst aan een aantal voorwaarden voldaan zijn. Zo moet er een betaalbare en betrouwbare manier zijn om materiaal naar de maan te vervoeren, er moeten op afstand bestuurbare tunnelboormachines komen, die benodigde 10 terawatt moet op de een of andere manier opgewekt worden…
Als we daar de komende decennia allemaal voor gaan zorgen, dan ‘kan de bouw van de CCM op zijn vroegst in de jaren 2070, 2080 beginnen’, schatten Beacham en Zimmermann. ‘En dan kan de versneller data gaan opleveren aan het begin van de 22e eeuw of wat later.’ Iets om naar uit te kijken voor de zuigelingen onder ons dus.
