Vacuümsystemen

Ongeveer 130 kilometer UHV vacuümbuizen met een diameter van ongeveer 1 meter zijn nodig om laserlichtstralen ongestoord tussen de ET-spiegels te laten heen en weer kaatsen. De spiegels zijn opgehangen met meerdere gekoppelde trillingsdempers om zelfs de kleinste externe trillingen weg te filteren. Ze zullen worden ondergebracht in 10 tot 20 meter hoge UHV vacuümtorens met een diameter tussen 3 en 5 meter.

Naar schatting zal de installatie van het UHV vacuümsysteem voor de Einstein Telescope in ongeveer vier jaar tijd voltooid worden. De geschatte kosten van het complete UHV vacuümsysteem bedragen dan €400 miljoen tot €600 miljoen.

De bestaande zwaartekrachtsgolfobservatoria, zoals LIGO (VS) en Virgo (Italië), gebruiken roestvrij staal (AISI304L) voor hun drie tot vier kilometer lange UHV vacuümbuizen. De buizen hebben een wanddikte van 3 tot 4 mm en een diameter van 0,7 tot 0,9 meter. De vacuümtorens waarin de spiegels zijn ondergebracht, zijn twaalf meter hoog en hebben een wanddikte van 10 mm en een diameter van enkele meters. De 10 tot 20 meter lange vacuümbuizen worden ter plaatse aan elkaar gelast. Tussen de segmenten komen balgen om (thermische) vervormingen tijdens het uitbakken op te vangen.

Grote vacuümkleppen verdelen de detector in verschillende compartimenten. Deze compartimenten vereenvoudigen ontluchtings- en toegangsoperaties. Om de 500 meter komen er pompinstallaties die voor de lage druk moeten zorgen. De (ongeveer) laatste 100 meter vacuümbuis naar elk van de vacuümtorens worden zeer diep gekoeld, tot zelfs onder de cryogene temperatuur van de spiegels. Ze vormen grote cryotraps waarin mogelijke watermoleculen kunnen neerslaan en dienen zo om waterdamp uit te vriezen en de vacuümdruk in de lange vacuümbuizen te verbeteren. De cryotraps dienen niet alleen om een ijslaag op de spiegels te voorkomen, maar vermijden ook dat de laserstralen verstoord worden door de minieme waterdamp.

Voordat ze geïnstalleerd worden in de ET, worden de ultrahoog vacuüm onderdelen een hele week tot op 450°C uitgebakken. In het bakproces worden resterend waterstof en koolwaterstof zoveel mogelijk verwijderd.

Het kan niet vermeden worden dat tijdens en na de installatie weer waterdamp in de installatie komt. De gemonteerde vacuümbuizen moeten daarom nogmaals gedurende tien dagen uitgebakken worden tot op 150°C, zodat de Viton O-ringen en pompen niet beschadigd worden.  De ervaring leert dat deze systemen, en zeker de lange vacuümbuizen, gedurende langdurige periodes betrouwbaar blijven werken bij een druk van 10^-9 mbar.

De logica zou zijn om een vergelijkbaar vacuümsysteem en materialen te gebruiken als bij LIGO of Virgo. De een-op-een extrapolatie van het LIGO- en Virgo-vacuümsysteem zou echter zeer kostbaar zijn vanwege het basismateriaal (roestvrij staal) en de kosten voor de ondergrondse installatie.

De belangrijkste uitdaging is daarom het verlagen van de kosten. Verschillende opties komen in aanmerking.

• Een eerste optie is de lokale productie van de UHV-vacuümbuissegmenten in een speciale lokale productiefaciliteit op of nabij de site van de Einstein Telescope. Dit vereenvoudigt het operationele proces en zorgt voor een beter rendement van de installaties. Het vereenvoudigt ook te verwachten reparatie-ingrepen in de toekomst.
• Het gebruik van alternatieve materialen in plaats van de ‘klassieke’ roestvrijstalen buizen. Bijvoorbeeld niet-roestvrij staal, gelaagde buizen of het gebruik van gegolfde dunwandige roestvrijstalen vacuümbuizen. Mogelijk zijn deze technologieën al beschikbaar in de industrie: olie & gas, offshore, windmolens, hyperloop, waterstof-brandstofcellen …
• Instituten zoals het CERN kunnen ook bijdragen aan oplossingen. Gegolfde dunwandige roestvrijstalen buizen worden bijvoorbeeld al gebruikt door het GEO600-project in Hannover. Een belangrijke uitdaging voor het concept van gelaagde buizen zal zijn om de robuustheid ervan te waarborgen in het geval van een lek in de buitenste schil, wat het rampzalige instorten van de dunne (roestvrijstalen) binnenbekleding kan veroorzaken.
• Het verminderen van de kosten van de UHV-vacuüm-gerelateerde instrumentatie, zoals pompen, kleppen, balgen en diagnostische tools zoals restgasanalyzers. Al deze apparatuur moet met minimale trillingen werken om de gevoeligheid van de Einstein Telescope te behouden.
• In-situ lassen van de buizen waar grotere spoelen metaal ter plaatse worden getransporteerd, geplooid en gelast. Grotere secties van de vacuümbuis worden in één stuk gelast. Dit zou transportkosten voor de vele vacuümbuizen vermijden en het risico op fouten bij het lassen van veel kortere stukken vacuümbuis verminderen.

De nieuwe lastechnieken zijn direct toepasbaar in andere gebieden waar lange buizen moeten worden geïnstalleerd. Denk aan de mijnbouw, pijpleidingen, offshore constructies, enz.

Het gebruik van een enkel lokaal lasstation vermindert het aantal lasverbindingen, zodat er een kleiner gevaar is voor lasfouten. Het maakt het ook mogelijk om langere secties van een pijp te creëren met minimaal transport.

De technieken ontwikkeld voor het creëren van het UHV kunnen hun weg vinden naar de industrie waar ultrahoog vacuüm of vacuüm voor grote systemen nodig is.