14 de octubre de 2024.- Una prueba exitosa entrega una viga de acero DUNE a una milla bajo tierra
Los equipos del Laboratorio del Acelerador Nacional Fermi y del Centro de Investigación Subterránea de Sanford han completado con éxito la primera prueba de elevación y descenso de una viga de acero en forma de L de seis toneladas para la construcción del Experimento de Neutrinos Profundos Subterráneos en Lead, Dakota del Sur.
Transportar un componente de acero grande y de forma irregular por un estrecho pozo minero hasta una caverna a una milla bajo tierra en SURF no es una tarea fácil debido al tamaño y el peso de la viga y al espacio de carga similar a un elevador del tamaño de un cobertizo de almacenamiento en el patio trasero. La prueba exitosa es un avance significativo que permite a los ingenieros y las cuadrillas anticipar los desafíos futuros.
DUNE es una colaboración internacional y los componentes de acero son una contribución en especie al experimento del CERN. El envío inicial de vigas al extranjero a principios de este año es solo el comienzo de los 2100 elementos estructurales que se entregarán a SURF a principios del próximo año.
“Todo nuestro equipo estaba entusiasmado por ver que el acero llegaba a Dakota del Sur para realizar pruebas”, dijo Jolie Macier, directora del proyecto de criogenia y detectores lejanos en Fermilab. “Estoy agradecida con todos los miembros de SURF que ayudaron en este proceso de planificación que duró un año, así como con nuestros socios del CERN. Este es realmente un esfuerzo colaborativo”.
Las dos primeras vigas, entregadas en enero, forman parte de la estructura externa de los enormes recipientes criogénicos de DUNE en la Instalación de Neutrinos de Línea Larga . Una vez ensambladas con las otras 2.500 toneladas de acero, ayudarán a formar una estructura de 66 metros de largo, 19 metros de ancho y 18 metros de alto. Una vez instalado el material aislante interno, la estructura integrada soportará y albergará un detector de partículas que se llenará con 17.000 toneladas de argón líquido enfriado a menos 302 grados Fahrenheit (menos 186 grados Celsius). Los científicos utilizarán estos módulos detectores en la búsqueda de comprender los neutrinos, partículas fantasmales que son increíblemente difíciles de detectar.
Sin sorpresas
Meses de cuidadosa planificación entre los socios internacionales de LBNF/DUNE allanaron el camino para este primer éxito.
«No queremos sorpresas cuando levantamos objetos de acero pesados hacia el pozo», dijo Jeff Barthel, supervisor de aparejos en SURF. «Aprendemos cosas durante las pruebas y estas pruebas ayudaron a identificar los pasos que se pueden tomar para que esta sea una tarea segura y repetible cuando llegue el momento de bajar la gran cantidad de componentes del criostato necesarios para los detectores Far Site».
Esta prueba se realizó con una de las muchas vigas de acero en forma de L que formarán las esquinas de la estructura. Debido a su tamaño, forma y centro de gravedad, las vigas en forma de L presentan algunas limitaciones únicas. La viga en forma de L inicial que se bajó en esta prueba mide aproximadamente 18 pies de largo y 12 pies de ancho y pesa 12,000 libras.
“Lo más importante para la viga en forma de L es el ángulo de inclinación, porque la inclinación no puede ser mayor de cinco grados”, dijo Sanmitra Pingulkar, ingeniero mecánico de Fermilab. “La viga tenía que encajar dentro del espacio ocupado por la jaula y el eje, y los equipos también tenían que tener en cuenta que el peso de la carga total no podía superar las 13.500 libras. El 90% del peso de esta elevación en particular era la propia viga en forma de L”.
Cuando el rayo llegó al fondo del hueco del ascensor después de su descenso a 100 pies por minuto casi una milla bajo tierra, los equipos fueron recompensados por su diligente planificación.
“Al final, la viga en forma de L quedó estable y se mantuvo dentro de un grado. Fue un éxito”, afirmó Pingulkar.
“El éxito de esta prueba se debe al esfuerzo colaborativo de todos los involucrados durante el último año de planificación”, agregó Charles Maupin, ingeniero mecánico de SURF. “Esta experiencia de aprendizaje marca la primera de muchas piezas de acero criostático que transportaremos a 4.850 pies bajo tierra en SURF.
Perfeccionamiento de procedimientos
Para preparar la prueba de elevación de una viga de acero, los equipos de SURF crearon primero una réplica de madera a escala real de una viga en L la primavera pasada. Si bien es mucho más liviana que el componente de acero real, la forma y el centro de gravedad de la maqueta ayudaron a comprender mejor cómo los equipos podían manipular las estructuras de acero de manera más efectiva.
Solo para el proyecto LBNF/DUNE, SURF ha realizado 350 elevaciones hasta este punto. Este trabajo incluye el análisis de la dinámica de carga y las limitaciones del equipo de aparejo, así como la minimización del riesgo de sucesos inesperados, como que la jaula se detenga repentinamente en el pozo.
“Hay que cuantificar todo”, dijo Barthel. “Si algo sucede, las operaciones podrían verse interrumpidas durante mucho tiempo. Podría tener enormes ramificaciones que costarían meses al proyecto. No se puede correr ningún riesgo con eso”.
“Hay mucha gente que pone mucho esfuerzo y reflexión en estas elevaciones”, añadió Barthel. “La profesionalidad y el trabajo en equipo que demostraron los miembros de nuestra tripulación durante la elevación de prueba fue un testimonio de su formación y habilidad”.
A finales de 2022, el CERN, en colaboración con Fermilab y SURF, realizó con éxito una prueba similar para componentes grandes y frágiles del detector de partículas DUNE, conocidos como conjuntos de planos anódicos.
Asociación internacional
Los miembros del CERN estuvieron presentes en el SURF durante la ejecución del ascensor. Olga Beltramello, ingeniera mecánica del CERN, fue una de las observadoras presentes en el SURF durante la prueba de descenso.
“Esta prueba ha sido una oportunidad de aprendizaje importante”, afirma Beltramello. “Es muy importante para el CERN, no sólo comprobar que todo funciona, sino también que el momento de la bajada del equipo sea compatible con el resto del programa de instalación del criostato entregado por el CERN”.
“Nuestra colaboración con el CERN es un elemento importante del proyecto LBNF/DUNE”, añadió Macier. “Su compromiso con el éxito de esta colaboración es fundamental y muy apreciado”.
Un paso más cerca
La prueba exitosa para bajar los componentes de acero pesados acerca la colaboración internacional un paso significativo hacia el inicio de la instalación del detector DUNE. Una vez que esté operativo, un haz de neutrinos enviado desde el campus de Fermilab cerca de Chicago viajará 800 millas a través de la Tierra hasta los detectores subterráneos masivos de DUNE en SURF. Los científicos esperan que DUNE brinde una imagen más clara de cómo se comportan los neutrinos y cómo se transforman en varios estados, e incluso proporcione pistas sobre el origen de la materia en el universo.
Más de 1,400 científicos e ingenieros en más de 35 países están contribuyendo al experimento.
El Laboratorio Nacional del Acelerador Fermi y la Instalación de Investigación Subterránea de Sanford cuentan con el apoyo de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de los Estados Unidos. La Oficina de Ciencias es el mayor patrocinador de la investigación básica en ciencias físicas en los Estados Unidos y está trabajando para abordar algunos de los desafíos más urgentes de nuestro tiempo. Para obtener más información, visite science.energy.gov .
El Centro de Investigación Subterránea de Sanford es operado por la Autoridad de Ciencia y Tecnología de Dakota del Sur (SDSTA) con fondos de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía. Somos el Laboratorio Subterráneo de Estados Unidos. Nuestra misión es promover la ciencia de clase mundial e inspirar el aprendizaje entre generaciones. Visite SURF en www.sanfordlab.org .
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