Τεχνολογικές Εφαρμογές στην

καθημερινή μας ζωή

που πηγάζουν από την έρευνα

στη Φυσική Υψηλών Ενεργειών.

Η θεραπεία του καρκίνου, η ιατρική και βιομηχανική απεικόνιση, η χρήση της ακτινοβολίας, τα ηλεκτρονικά, τα όργανα μετρήσεων, οι νέες βιομηχανικές επεξεργασίες υλικών, οι τεχνικές συντήρησης τροφίμων, η καταστροφή των τοξικών αποβλήτων, είναι μόνο μερικές από τις εφαρμογές των τεχνολογιών που αναπτύσσονται στο CERN στα πλαίσια της έρευνας στη φυσική των στοιχειωδών σωματιδίων.
.

Εφαρμογές των επιταχυντών

Τα σύγχροτρα, που επιταχύνουν πρωτόνια και ιόντα για τη θεραπεία του καρκίνου, έχουν ήδη αναπτυχθεί σε πολλά μέρη. Το CERN μεταφέρει την εμπειρία του στο σχεδιασμό και το χειρισμό αυτών των επιταχυντών σε κάθε Κράτος Μέλος, μέσω του προγράμματος Μελέτη Ιατρικών Συσκευών Πρωτονίων - Ιόντων (Proton-Ion Medical Machine Study) σε συνεργασία με τα προγράμματα GSI/DE, MED AUSTRON/AT και TERA/IT

. Το τελευταίο πρόγραμμα έχει ξεκινήσει από έναν από τους επιφανέστερους Φυσικούς του CERN: τον Ugo Amaldi. Η σημασία αυτών των εφαρμογών είναι φανερή όταν κανείς διαπιστώσει ότι ένα στα οχτώ άτομα, στον δυτικό κόσμο, χρησιμοποιεί κάποιον επιταχυντή για θεραπεία κατά τη διάρκεια της ζωής του. Το μέγεθος της βιομηχανίας που εφαρμόζει ραδιοθεραπεία, βασισμένη σε γραμμικούς επιταχυντές, ξεπερνά το ένα δισεκατομμύριο δολάρια το χρόνο. Η κοινωνική αξία δεν μετριέται βέβαια με οικονομικούς όρους .

Μια από τις πλέον υποσχόμενες χρήσεις του επιταχυντή σωματιδίων είναι η παραγωγή καθαρής, ασφαλούς και ανεξάντλητης ενέργειας. Η όλη ιδέα είναι ο συνδυασμός ενός επιταχυντή σωματιδίων με ένα πυρηνικό αντιδραστήρα. Η αρχική σύλληψη ήταν του προηγούμενου διευθυντή του CERN, Carlo Rubbia.

Η βασική ιδέα είναι απλή. Με τη χρησιμοποίηση ενός επιταχυντή σωματιδίων για την παραγωγή νετρονίων (τα οποία προκαλούν πυρηνική σχάση), το θόριο χρησιμοποιείται ως καύσιμο αντί για ουράνιο, ένα χημικό στοιχείο που μπορεί σχετικά εύκολα να βρεθεί και να απομονωθεί. Τα πλεονεκτήματα είναι πολλά. Το πιο σημαντικό είναι ότι η αντίδραση δεν είναι αυτοσυντηρούμενη και επομένως δεν υπάρχει περίπτωση δυστυχήματος όπως αυτό του Chernobyl. Αντίθετα με τους συμβατικούς αντιδραστήρες σχάσης, η συσκευή του Rubbia χρειάζεται ενέργεια για να μη διακοπεί η λειτουργία της. Αλλά, η παραγόμενη ενέργεια θα είναι πολύ μεγαλύτερη από την αντίστοιχη αρχική που εισάγεται, πράγμα που οδήγησε το Rubbia να ονομάσει τη συσκευή του "Ενισχυτή Ενέργειας".

Η βασική διαφορά μεταξύ του Ενισχυτή Ενέργειας και του συμβατικού αντιδραστήρα είναι ο μέσος αριθμός των νετρονίων που παράγονται σε κάθε διάσπαση πυρήνα. Οι κοινοί αντιδραστήρες χρησιμοποιούν το σπάνιο ισότοπο ουράνιο-235. Το ουράνιο-235 αποτελεί το 1% του φυσικού ουρανίου και η παραγωγή του είναι δαπανηρή. Οταν ένα άτομο ουρανίου-235 απορροφά ένα νετρόνιο, διασπάται σε μικρότερα στοιχεία απελευθερώνοντας ενέργεια και δύο ή τρία νετρόνια.Το ουράνιο-238 μεταστοιχειώνεται επίσης, γίνεται πλουτώνιο το οποίο παρουσιάζει σημαντικά προβλήματα σε θέματα αποβλήτων και ασφαλείας.Τα νετρόνια, τα οποια απελευθερώνονται, συνεχίζουν και προκαλούν νέες διασπάσεις, εκπέμπουν περισσότερη ενέργεια και τελικά παράγονται περισσότερα νετρόνια: μια αλυσιδωτή αντίδραση. Αφού ο τελικός αριθμός των νετρονίων αυξάνει με κάθε διάσπαση, πρέπει να απορροφηθούν κατάλληλα χρησιμοποιώντας κυλίνδρους γραφίτη ώστε να ελεγχθεί ολόκληρη η αντίδραση.

Στον Ενισχυτή Ενέργειας, άτομα θορίου απορροφούν νετρόνια και διασπώνται, απελευθερώνοντας ενέργεια. Παράγονται επίσης νετρόνια, αλλά όχι αρκετά ώστε να συνεχισθεί η αντίδραση από μόνη της. Αν η εξωτερική παροχή νετρονίων διακοπεί, η αντίδραση σταματά.

Το 1993, ο Rubbia δρομολόγησε μια συνεργασία ώστε να υλοποιήσει την ιδέα του και να ελέγξει κατά πόσο είνα εφικτή. Τον επόμενο χρόνο, με την οικονομική υποστήριξη της Ευρωπαϊκής Ενωσης, η συνεργαία αυτή απέδειξε ότι ένας από τους πιο ουσιαστικούς υπολογισμούς ήταν σωστός: η ενέργεια που παράγονταν από τη διάσπαση ήταν 30 φορές μεγαλύτερη της αρχικής. Ο Ενισχυτής Ενέργειας

Το 1995, η συνεργασία επέκτεινε την ιδέα του Ενισχυτή Ενέργειας στην αποτέφρωση πυρηνικών αποβλήτων μεγάλης διάρκειας ζωής. Επρεπε να αναμειχθούν πυρηνικά απόβλητα πλουτωνίου με θορίου ώστε το πλουτώνιο να διασπαστεί σε αβλαβή στοιχεία. Η διεργασία αυτή άρχισε να εφαρμόζεται στο Αμερικανικό εργαστήριο του Los Alamos και ελέγχθηκε στο CERN το 1996, πάλι με την υποστήριξη της Ευρωπαϊκής Ενωσης. Τα αποτελέσματα ήταν πολύ ενθαρρυντικά και έδειξαν ότι όχι μόνο τα απόβλητα μπορούσαν να διασπαστούν αλλά και ότι μερικά απά αυτά είναι ισότοπα που έχουν εφαρμογές στην ιατρική.

Το CERN συνεχίζει να υποστηρίζει την ομάδα του Rubbia, αλλά η περαιτέρω ανάπτυξη είναι πιθανό να μεταφερθεί εκτός του Εργαστηρίου. Αρκετές Ευρωπαϊκές κυβερνήσεις μελετούν την ιδέα και η μελέτη, που υποστηρίζεται από την Ευρωπαϊκή Επιτροπή, ενθαρρύνει την περαιτέρω έρευνα.

Εφαρμογές των Ανιχνευτών Σωματιδίων

Οι ανιχνευτές που έχουν αναπτυχθεί για τα στοιχειώδη σωματίδια έχουν βρει πολυάριθμες άλλες εφαρμογές. Τα παραδέιγματα που προέρχονται από τις έρευνες στο CERN συμπεριλαμβάνουν τα εξής:

Χρήση των πολυσυρματικών αναλογικών θαλάμων, οι οποίοι αναπτύχθηκαν από τον G. Charpak στο CERN (βραβείο Νομπέλ 1992):

για τον έλεγχο του περιεχομένου των μεγάλων φορτηγών αυτοκινήτων (επίσης έχει προταθεί η χρήση των συσκευών για τον εντοπισμό ναρκωτικών ουσιών).
για ερευνητική χρήση: σε ιατρικές απεικονίσεις (τομογραφία εκπομπής ποζιτρονίου (PET), στη μελέτη του μεταβολισμού των ζώων και στη μελέτη των κοσμικών πιδάκων στην αστροφυσική.

Τεχνολογικές Εφαρμογές που σχετίζονται με την Πληροφορική

Γενικά η Φυσική Στοιχειωδών Σωματιδίων, και ειδικά το CERN, έχουν μια ανεξάντλητη "όρεξη" για υπολογιστική ισχύ και εύρος ζώνης δικτύων (network bandwidth). Η απαιτήσεις τους σε περιοχές τόσο περίπλοκες όσο θεωρητικοι υπολογισμοί, μεγάλες ταχύτητες συλλογής πληροφοριών, συστήματα διανομής πραγματικού χρόνου, επεξεργασία και ανακατασκευή εικόνας, δίκτυο υπολογιστών και επικοινωνία, καθώς και τεχνικές προσομοίωσης αποτελούν ένα πρωταρχικό κίνητρο για την ανάπτυξη ηλεκτρονικών υπολογιστών και των σχετικών δικτύων τους. Η ειδίκευση που διαθέτει το Εργαστήριο σ' αυτά τα θέματα αποτελεί ανεκτίμητη πηγή για τη βιομηχανία.Το Εργαστήριο συμμετέχει ενεργά σε πολλά σχετικά προγράμματα Ερευνας και Ανάπτυξης (R&D).

Το CERN υπήρξε η πρωτοπόρα και κινητήρια δύναμη στην ανάπτυξη του Διαδυκτίου (Internet) στην Ευρώπη, ξεκινώντας το 1989, με την πρώτη καθιέρωση των σχετικών πρωτοκόλλων σύνδεσης. Για πολλά χρόνια το CERN απετέλεσε το κέντρο του Ευρωπαϊκου διαδυκτίου. Παρόλο που σήμερα η συνολική διαχείρηση του διαδυκτίου έχει φύγει από τα χέρια του CERN, το Εργαστήριο παραμένει ένας βασικός κόμβος σύνδεσης του διαδυκτίου στην Ευρώπη.

Το WWW Το ευρύτερα διαδεδομένο "προϊόν" που έχει αναπτυχθεί στο CERN είναι αναμφισβήτητα το WWW. Αρχικά ήταν σχεδιασμένο ώστε να βοηθάει την επικοινωνία μεταξύ των Φυσικών που ασχολούνται με τα Στοιχειώδη Σωματίδια. Οι ερευνητικές ομάδες των Φυσικών αποτελούνται σήμερα από πολλές εκατοντάδες μέλη τα οποία είναι διασκορπισμένα σε πολυάριθμα Ερευνητικά Ινστιτούτα και Πανεπιστήμια. Ηταν απαραίτητο να έχουν όλοι πρόσβαση σε κοινές βάσεις δεδομένων, να ανταλλάσσουν και να επεξεργάζονται κοινά επιστημονικά άρθρα, αναφορές, μηχανανολογικά σχέδια κ.α. Η πρόσβαση στο παγκόσμιο Διαδύκτιο (Ιnternet) υπήρχε, αλλά έλειπε ένα κατάλληλο λογισμικό εργαλείο το οποίο αναπτύχθηκε από τους ίδιους τους Φυσικούς στο CERN: το WWW. Οπως είναι ήδη γνωστό, η ευκολία στη χρήση του κατέστησε γρήγορη τη διάδοσή του τόσο στον ακαδημαϊκό όσο και σε ολόκληρο τον κόσμο.

Τεχνολογικές Εφαρμογές

Η Φυσική Σωματιδίων γενικά, και το CERN πιο συγκεκριμένα, έχουν συμβάλλει κατά πολύ στην ανάπτυξη της τεχνολογίας σε τομείς όπως η υπεραγωγιμότητα, η κρυογενική, η γεωδαισία και η φυσική υψηλού κενού. Οι επιταχυντές σωματιδίων σχεδιάζονται με πολύ αυστηρές γεωμετρικές προδιαγραφές. Η καμπύλωση της τροχιάς των πρωτονίων μεγάλης ενέργειας βρίσκεται στο όριο της τεχνολογίας (λάθη μερικών εκατοστών μπορούν να θέσουν τη μηχανή εκτός λειτουργίας) ενώ η απώλεια ενέργειας των ηλεκτρονίων από την ακτινοβολια σύγχροτρον θα ήταν ανεπίτρεπτη. Η τοπογραφική ομάδα του CERN έχει αναπτύξει ένα μεγάλο φάσμα τοπογραφικών οργάνων μεγάλης ακρίβειας και τεχνικών για τις υπόγειες σήραγγες των επιταχυντών. Μερικές από αυτές τις τεχνικές χρησιμοποιήθηκαν για το Ευρωτούνελ (που συνδέει την Αγγλία με την Γαλλία). Η χρήση τεχνικών με μικροκύματα, που αναπτύχθηκαν στο CERN, έχουν ήδη ελεγχθεί με επιτυχία από Ελβετούς και Γάλλους γεωλόγους για τον εντοπισμό υπόγειων θηλάκων με νερό (γεωλογικό ραντάρ). Τέτοια συστήματα προβλέπεται να χρησιμοποιηθούν στο μέλλον για τις ελβετικές σήραγγες των Αλπεων, το κόστος των οποίων υπολογίζεται σε 10 δισεκατομμύρια ελβετικά φράγκα.