Bombas criogénicas para investigación

Por Keefe Borden06 febrero 2023

Las bombas criogénicas de Vanzetti Engineering han sido elegidas para el Proyecto Aria del Instituto Nacional de Física Nuclear (INFN) en asociación con Carbosulcis SpA, una empresa propiedad de la Región de Cerdeña. El proyecto consiste en una torre de destilación criogénica para la producción de isótopos estables enriquecidos de alta pureza. Las bombas criogénicas son componentes del circuito auxiliar de la planta que recircula el nitrógeno líquido en la unidad de destilación primaria de argón súper puro.

El Proyecto Aria consiste en la construcción de una torre de destilación criogénica en Cerdeña para la producción de isótopos estables enriquecidos de alta pureza. El proyecto Aria es parte integral del experimento DarkSide-20k que se llevará a cabo en los Laboratorios Nacionales Gran Sasso (LNGS) del Instituto Nacional de Física Nuclear (INFN), cuyo objetivo es detectar materia oscura directamente. La materia oscura, cuya naturaleza aún se desconoce, representa la mayor parte de la materia que compone nuestro universo, donde es cinco veces más abundante que la materia ordinaria que compone todo lo que podemos ver hoy. Comprender su naturaleza es, por tanto, una de las principales áreas de investigación en el campo de la física fundamental, ya que supondría una contribución significativa a la comprensión de la cosmología, la física y la astrofísica.

El experimento DarkSide-20k está a cargo de International DarkSide Collaboration e involucra a más de 500 investigadores de universidades e institutos de investigación de todo el mundo. Para el experimento se utilizará un detector que utiliza argón líquido como fluido de centelleo para la interacción WIMP (partículas masivas de interacción débil). Según algunas teorías, este tipo particular de partícula es uno de los candidatos más prometedores para constituir materia oscura. Se requieren grandes cantidades de argón empobrecido, es decir, sin el isótopo 39, para llevar a cabo este experimento. Esto ha llevado al desarrollo de dos proyectos relacionados con DarkSide: Urania y Aria. El primero consiste en la construcción de una planta, actualmente en construcción, en Colorado donde se ha ubicado una fuente de argón limpio bajo tierra, protegido de los rayos cósmicos y por tanto no contaminado por ellos. El Proyecto Urania (también propiedad de INFN) permitirá obtener el argón empobrecido, que luego será transportado a Cerdeña, donde será filtrado y purificado por la columna de destilación del Proyecto Aria. Por último, el argón puro se colocará en el detector DarkSide-20 en los Laboratorios Nacionales Gran Sasso para realizar investigaciones.

"El objetivo principal de la columna de destilación del Proyecto Aria es producir argón para el experimento DarkSide. Sin embargo, dado que permite que se produzcan isótopos estables (como oxígeno 18, carbono 12, nitrógeno 15 y posiblemente otros), también tiene un importante valor industrial. e interés comercial", explica Federico Gabriele, Coordinador Técnico del proyecto e investigador del INFN. "Los isótopos estables se utilizan en diversas aplicaciones, como la medicina nuclear para el diagnóstico médico, la agricultura orgánica o la microelectrónica de precisión. Actualmente, estas sustancias se producen en unas pocas instalaciones en todo el mundo y utilizando varios métodos, como la centrifugación, que requiere grandes cantidades de El Proyecto Aria, por su parte, aprovecha la volatilidad relativa entre estas sustancias -de hecho, la destilación se realiza separando los isótopos según su coeficiente de volatilidad- lo que permite una reducción considerable de los costes de producción. sustancias está actualmente en el orden de algunas decenas de kilos y que el mercado se está expandiendo rápidamente, se puede ver la importancia del proyecto y el considerable potencial de esta planta, que será única en términos de su tipo y tamaño incluso a un precio nivel industrial".

El Proyecto Aria, que comenzó en 2015, requiere un pozo de aproximadamente 350 metros de profundidad para anclar la columna de destilación, ya que sería imposible construir una estructura de soporte de dimensiones similares sobre el suelo. Es por eso que se decidió utilizar el pozo de 350 metros de profundidad de una mina de carbón en la Provincia del Sur de Cerdeña gestionada por Carbosulcis SpA, que es propiedad de la Región de Cerdeña.

"La planta prototipo, Seruci 0, que lleva el nombre del sitio minero, está actualmente en construcción. Se trata de una columna de escala reducida en comparación con la que se utilizará en el sistema final", explica Federico Gabriele. "En lugar de los 28 módulos centrales del sistema final, esta columna consta de un único módulo central, un módulo superior y un módulo inferior y se instala sobre el suelo en lugar de bajo tierra. Todo el equipo necesario para el funcionamiento de la columna es el mismo como los que se utilizarán para la planta final, Seruci 1. Una vez finalizadas todas las pruebas e instaladas las estructuras de soporte en el hueco, se procederá al desmontaje y reconstrucción del Seruci 0 en el lugar de instalación final, con los 28 módulos previstos por el proyecto y con una altura total de unos 350 metros.

El proyecto final involucra la construcción de la columna de destilación, el núcleo del sistema y el sistema de refrigeración de nitrógeno líquido. El equipo proporcionado por Vanzetti Ingeniería consta de dos bombas de refuerzo de nitrógeno líquido que se utilizan para mover el nitrógeno líquido desde el fondo hasta la parte superior de la columna y se instalan en el circuito de refrigeración auxiliar. Estas dos bombas criogénicas alternativas idénticas de la serie VT-1 actúan como respaldo entre sí. Muy brevemente, este proceso implica el intercambio de calor continuo entre dos fluidos criogénicos, lo que provoca la transición natural de las capas de argón más pesadas dentro de la columna. Este movimiento, a través de repetidos ciclos de evaporación y condensación, promueve la purificación extrema del argón, cuyo fin último es eliminar las sustancias no deseadas que podrían afectar los resultados de los experimentos científicos realizados con la materia oscura.

Las bombas criogénicas son uno de los pocos elementos del sistema que se instalan en el fondo del pozo. Se escogieron las bombas VT-1 de Vanzetti Engineering porque además de garantizar una altura de 350 metros, también pueden funcionar perfecta y continuamente (24/24) incluso en ambientes cerrados de alta humedad.

El oxígeno, el nitrógeno y el hidrógeno son pequeñas moléculas esenciales para la vida, la materia y la energía. Hoy, Vanzetti Engineering es un proveedor italiano reconocido de bombas y sistemas criogénicos para muchos proyectos importantes que no solo se basan en gas natural licuado (GNL), sino también en gases atmosféricos. Para atender la demanda del mercado de equipos de control, almacenamiento y regulación de gases, Vanzetti Ingeniería fabrica bombas y sistemas de bombeo para el trasvase de líquidos criogénicos obtenidos de la destilación atmosférica del aire a muy bajas temperaturas. Los componentes del aire incluyen nitrógeno, oxígeno, argón, dióxido de carbono y otros gases que se conocen como gases industriales o atmosféricos.

Según los requisitos de caudal y presión, Vanzetti Engineering puede suministrar tanto bombas de pistón alternativo como bombas centrífugas de una o varias etapas, externas o sumergibles. La empresa, con sede en la provincia de Cuneo en Piamonte, apoya a un gran número de clientes en varios mercados: soluciones de gas para la industria, tratamiento térmico, soldadura y corte, gasificación, combustión de oxígeno, tratamiento de agua, congelación y refrigeración de alimentos, embalaje, síntesis petroquímica, suministro de oxígeno médico, electrónica, energías alternativas.

Fundada en 1984, Vanzetti Engineering SpA es la única empresa italiana activa en el diseño y construcción de equipos criogénicos para gas natural licuado (GNL) y gas de aire. Vanzetti Engineering ofrece una amplia gama de productos que cubren todas las aplicaciones aguas abajo de la cadena de valor del GNL.

La planta de 12.000 m2, inaugurada en 2015, alberga departamentos de fabricación de bombas y patines criogénicos; esto ha permitido a la empresa aumentar significativamente su capacidad de producción.