As Actividades de Alta Tecnologia da Air Liquide Projecto CERN Novembro 2006 O desafio da excelência O sistema de alimentação de Hélio Líquido para o maior.

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1 As Actividades de Alta Tecnologia da Air Liquide Projecto CERN Novembro 2006 O desafio da excelência O sistema de alimentação de Hélio Líquido para o maior acelerador de partículas (CERN / LHC) no mundo

2 Líder mundial em gases industriais e medicinais 2 A realização de um sistema criogénico único e excepcional Em 31 de Outubro de 2006, a Air Liquide entrega um complexo sistema de alimentação de Hélio líquido único no mundo à CERN (Organização Europeia para a investigação nuclear) para o acelerador de partículas mais potente que se está a construir. O projecto está ao serviço da ciência fundamental O acelerador de partículas LHC (Large Hadron Collider) da CERN permitirá dar um novo passo no conhecimento da física de partículas. Fará avançar a investigação fundamental sobre a matéria e o nascimento do universo. Um desafio tecnológico para a Air Liquide… As dimensões extraordinárias do sistema de criogenia que requer o projecto, e a qualidade das prestações, são em si mesmas um grande desafio tecnológico. O sistema de distribuição criogénico do Hélio é um anel de 27 Km. de circunferência, situado num túnel a 100 m de profundidade, na fronteira franco- suíça. A criogenia é a ciência das temperaturas extremamente baixas, próximas ao zero absoluto, 0 K (–273,15°C). O hélio circula superfluido a uma temperatura de 1,9K (–271°C) alimentando 1.700 ímanes supra-condutores. Estes ímanes produzem um intenso campo magnético que é necessário para manter os dois feixes de partículas na sua pista circular e permitir a sua colisão. Os materiais dos ímanes apenas apresentam as suas propriedades supercondutoras a temperaturas abaixo de 9K (-264°C). Graças ao arrefecimento a 1,9K (-271°C) os ímanes funcionam de forma óptima. Apenas existe um fluido no mundo que alcance essas temperaturas extremas: O hélio superfluido. A Air Liquide consegue neste projecto os seguintes avanços a nível mundial: Uma temperatura de 1,9K (-271°C) ao longo de 27 Km Uma circulação de Hélio superfluido com una pressão reduzida a 0,2 bar (semelhante à pressão atmosférica a 12 Km. de altitude) 3.000 elementos foram idealizados, fabricados e montados para constituir o dispositivo criogénico de 27 Km. de comprimento. 300 pontos de ligação do sistema criogénico com os ímanes do LHC (Jumpers) com uma margem de tolerância de montagem de 0,2% a 1%, em 3 dimensões

3 Líder mundial em gases industriais e medicinais 3 A realização de um sistema criogénico único e excepcional Acelerador de partículas refrigerado com Hélio super fluido "Jumper": Alimentação com Hélio super fluido (1,9K) Chegada de Hélio líquido (4,5K) proveniente do liquefactor Retorno de Hélio gasoso ao liquefactor Esquema ilustrativo da linha criogénica que acompanha o LHC

4 Líder mundial em gases industriais e medicinais 4 Um desafio industrial O grande mérito do programa industrial tanto pelas suas dimensões como pela sua complexidade reside na linha criogénica concebida e desenhada por um comité de engenharia de 50 pessoas, que realizou 13.000 planos de pormenor. A linha criogénica foi realizada em duas fases : Desenvolvimento de um protótipo piloto com um comprimento de 100 metros para desenvolver e validar o desenho final junto da CERN, em 2002 Lançamento pela Air Liquide da produção em série da linha criogénica: concepção, aprovisionamento, fabrico e instalação dos elementos sobre os 27 Km da linha. O início de funcionamento e a soldadura deste puzzle gigante de 3.000 elementos, a 100 metros de profundidade, foi una autêntica proeza. Requereu a colaboração de topógrafos, uma vez que não existiam referências espaciais, nem de superfície, nem GPS para poder montar 300 pontos com uma margem de tolerância que pode alcançar em certas peças, 0,2% em 3 dimensões ! Um desafio logístico A Air Liquide coordenou e supervisionou o fabrico de 3.000 elementos em 5 oficinas de 4 países europeus: França, Espanha, Itália e Portugal. A Air Liquide, além de facilitar ferramentas específicas, operadores qualificados, armazéns dedicados e fornecimento de peças e componentes, duplicou a produção para cumprir o prazo de entrega. Um desafio humano Durante 22 meses, 70 colaboradores da Air Liquide trabalharam a 100 metros de profundidade, num túnel de 27 quilómetros de circunferência, passando uma fronteira sem alfândega… entre a França e a Suíça. Desta forma, equipas multiculturais e multidisciplinares (com uma dúzia de especialidade diferentes) enfrentaram o desafio. Parceiro da comunidade científica internacional, a Air Liquide conseguiu uma experiência de ponta, tanto em termos de tecnologia como de eficácia, no campo dos gases extremos. Este conhecimento está à disposição de universidades e centros de investigação fundamental e também da tecnologia espacial, nomeadamente para a concepção e realização de sistemas criogénicos sofisticados. A realização de um sistema criogénico único e excepcional

5 Líder mundial em gases industriais e medicinais 5 70 pessoas permanentes das quais 20 são supervisores de obra 350.000 horas de engenharia e desenvolvimento Mais de 1.200.000 horas de subcontratação do fabrico e obra Um puzzle gigante de 3.000 peças para realizar a linha criogénica QRL 20.000 soldaduras Inox e 13.000 planos de pormenor para realizar a linha criogénica QRL 150.000 montagens registadas e traçadas na linha criogénica (QRL) 300 pontos de ligação com os ímanes supra-condutores do acelerador de partículas, de mais de 3 toneladas cada um, com uma margem de tolerância de montagem que pode alcançar 0,2% em 3 dimensões A Segurança primeiro: 100% dos empregados estavam equipados com telefones móveis, com aparelhos de respiração com reserva de oxigénio e com equipamentos individuais de segurança para a obra 100 bicicletas utilizadas pela equipa da Air Liquide para se deslocar com facilidade pelos 27 Km. do túnel Mais de 1,5 milhões de horas trabalhadas. Valores chave de um projecto único no mundo

6 Líder mundial em gases industriais e medicinais 6 Um contrato comercial de grande envergadura A CERN assinou com a Air Liquide em 2002 um contrato de engenharia muito específico para a concepção, desenvolvimento e industrialização dos elementos necessários para construir o sistema criogénico mencionado. O contrato para o período 2002-2006, inclui o fornecimento de hélio líquido para os sistemas criogénicos, árgon líquido para o detector ATLAS e azoto. A Air Liquide consegue com isso uma competência única em termos de serviço, nomeadamente para assegurar a manutenção e garantir a estanquecidade do sistema. A CERN não pode permitir-se um único dia de paragem não prevista do acelerador de partículas LHC. Este contrato é o décimo quinto estabelecido entre a Air Liquide e a CERN, desde 1990. Um desafio fora do comum para o desenvolvimento do capital humano A Air Liquide, que mantém o espírito pioneiro das suas origens, desenvolve permanentemente o seu capital humano. Neste projecto excepcional, soube pôr em jogo as suas melhores competência, mobilizando o seu pessoal para assumir o desafio da CERN. A « Fórmula 1 » do Grupo Air Liquide A promessa tecnológica realizada pelas equipas da Air Liquide foi uma ferramenta formidável para avaliar o know-how do Grupo no campo dos gases extremos, tanto na comunidade científica internacional como no mundo industrial. O sucesso do « projecto LHC » na CERN permite à Air Liquide ultrapassar novas etapas tecnológicas. Este conhecimento permite-nos preparar a contribuição para os projectos do futuro que irão exigir um domínio total da criogenia, como por exemplo o projecto ITER. A CERN, um cliente emblemático para a Air Liquide

7 Líder mundial em gases industriais e medicinais 7 A criogenia para o LHC Serviço de exploração, manutenção e detecção de fugas

8 Líder mundial em gases industriais e medicinais 8 A criogenia, é a ciência das temperaturas muito baixas. O prefixo crio provém do grego kruos" que significa extremamente frio. Para obter frio tem que se transferir o calor de um corpo, que verá assim diminuir a sua temperatura, para o outro corpo que absorverá esta energia. Existem muitas técnicas para arrefecer. As mais utilizadas são duas: A mudança de estado Para produzir frio tem que se absorver energia. A passagem de estado sólido para estado líquido ou directamente para estado gasoso, implica a "absorção" de energia. Os científicos denominam esta energia calor latente. Por exemplo: aproveitamos uma pedra de gelo que se funde num copo de água para produzir frio, uma vez que o gelo absorve o calor da água ao fundir-se. Conseguimos produzir frio. Os nossos frigoríficos funcionam sob este princípio. Um gás (o fluido frigorífico) comprime-se até se liquefazer. Esta compressão produz calor, que é eliminado para o ambiente. A posterior evaporação deste líquido num espaço fechado absorve o calor, produzindo-se frio. O gás que circula num circuito fechado, volta ao compressor para ser novamente liquefeito. A sublimação (passagem directa de sólido a gás) do gelo carbónico a -78°C ou a evaporação do nitrogénio líquido a -196°C também podem produzir frio. A expansão de um gás comprimido Os desportistas sabem que para acalmar a dor depois de uma pancada aplica-se um aerossol de ar sob pressão. Um gás comprimido que se expande produz frio. E se utilizamos esse frio para arrefecer, pela sua vez, um outro gás em expansão, podemos chegar a baixar muito a temperatura. Este é o princípio básico da liquefacção do ar, que se industrializou em 1902 por Georges Claude, e permite separar o azoto do oxigénio por destilação. O que é o frio?

9 Líder mundial em gases industriais e medicinais 9 A procura do zero absoluto… A temperatura mais baixa que se pode obter é o zero absoluto, que corresponde a 0 K na escala de graus Kelvin e a -273,15 °C na escala de graus Celsius. O calor é a energia trocada pelos choques de bilhões de partículas que compõem a matéria. Este movimento browniano foi descoberto em 1827 pelo botânico escocês Brown. Com zero graus absolutos, estes movimentos cessariam e não haveria qualquer produção de calor ao não haver choques. Muitos científicos tentaram aproximar-se a esta temperatura absoluta evaporando o Hélio (0,21K) e utilizando hélio 3 superfluido (0,002K), ou bem por técnicas físicas complexas como "desmagnetização adiabática de substâncias paramagnéticas" que permitem aceder a 0,000 0001K que é praticamente o zero absoluto. O que é o frio ? Azoto líquido Gelo carbónico

10 Líder mundial em gases industriais e medicinais 10 A supra-condutividade é um fenómeno físico descoberto em 1911. Diz-se que um material condutor eléctrico torna-se supra-condutor quando se baixa de um temperatura (chamada temperatura crítica de transição supra-condutora) e a sua resistência eléctrica torna-se nula. Isso possibilita o transporte de corrente eléctrica sem perda de energia e portanto sem aquecimento do condutor. Principais aplicações: Geração de campos magnéticos intensos para: Imagiologia médica por Ressonância Magnética (IRM), Estudo da matéria por Ressonância Magnética Nuclear (RMN), Confinamento de plasma (fusão nuclear), Aceleração e focalização de feixes de partículas em aceleradores de física de alta energia, Levitação magnética (comboios MAGLEV no Japão), Separação magnética... A supra-condutividade em duas palavras… Aparelho de IRM arrefecido com Hélio líquido

11 Líder mundial em gases industriais e medicinais 11 Transporte de energia eléctrica por cabos supra-condutores Exemplo: o projecto LIPA Nos Estados Unidos, a LIPA (Long Island Power Authority) lançou a fase de construção de uma ligação supra-condutora de transporte de electricidade mais longa e mais potente do mundo com um cabo de 138 kV, de 600 m de comprimento. Estes cabos podem transportar entre três e cinco vezes mais do que um clássico sem perdas energéticas. A Air Liquide é responsável pela criogenia deste projecto para a adaptação do sistema de refrigeração, pela engenharia do sistema e pelo suporte à instalação. Realização de novos tipos de circuitos electrónicos rápidos, susceptíveis de substituírem e ultrapassarem em prestações os semicondutores actuais A supra-condutividade em duas palavras…

12 Líder mundial em gases industriais e medicinais 12 Do mais frio … ao mais quente! >10.000K> 10.000°C 3.873K3.600°C 2.773K2.500°C 2.173K1.900°C 373K100°C 273K0°C 255K-18°C 195K-78°C 90K-183°C 87K-186°C 77K-196°C 20K-253°C 4K-269°C 1,9K-271°C > 1K>-272°C 0K -273,15°C Zero graus absolutos Hélio super fluido: a temperatura do LHC no CERN Hélio: criostatos para os satélites Hélio líquido : IRM, ITER, KSTAR, … Hidrogénio líquido: armazenagem de energia (Pilha de combustível, foguetão Ariane) Azoto líquido: congelação de alimentos, dermatologia Árgon líquido: CERN Oxigénio líquido: foguetão Ariane, hospitais… Gelo carbónico*: conservação de alimentos Congelador: conservação de alimentos Gelo Ebulição da água Chama Butano-ar (cozinha) Oxi-combustão: fabricação de aço, vidro Chama Oxiacetilénica: soldadura Plasma: tratamento de poluentes da indústria electrónica * O gelo carbónico está composto de CO2 sólido Algumas ordens de grandeza…

13 Líder mundial em gases industriais e medicinais 13 O Large Hadron Collider (LHC) é a grande ferramenta de investigação em física de partículas, ao serviço da procura do conhecimento. Lançado em finais de 1994, as instituições de investigação internacionais esperam pelo seu início de funcionamento em 2007. O acelerador LHC está dividido em oito sectores delimitados pelos poços de acesso à superfície. No extremo de cada sector encontram-se as « cavernas », catedrais subterrâneas onde são realizados os experimentos: Atlas e CMS dedicadas à detecção de Boson de Higgs*, LHCb e ALICE para a observação de um novo estado da matéria através do estudo de Quark* b e as colisões de iões pesados. *Boson de Higgs: partícula que deveria estar na origem da massa de todas as partículas. Deveria estar uma vez que, apesar do seu papel fundamental, esta partícula nunca foi observada até agora. *Quark: partícula obtida após a última etapa de divisão da matéria O projecto LHC ao serviço da investigação sobre a matéria Atlas CMS

14 Líder mundial em gases industriais e medicinais 14 Construído para completar o nosso conhecimento do Universo, este colisionador acelerará a uma velocidade próxima à da luz, dois feixes de partículas que circulam em sentido inverso no anel. Estas partículas chocarão violentamente em diferentes pontos de colisão. A análise da energia libertada por estas colisões deveria permitir, entre outras coisas, validar a existência da partícula Boson de Higgs*, e mais amplamente, recriar as condições extremas que reinaram algumas fracções de segundos depois do Big Bang. O LHC será, neste quadro, uma máquina formidável para remontar no tempo, um fabuloso instrumento que permitirá compreender melhor o nascimento do Universo. O projecto LHC ao serviço da investigação sobre a matéria

15 Líder mundial em gases industriais e medicinais 15 As Experiencias ATLAS e CMS foram concebidas para identificar e medir precisamente as características das partículas produzidas no momento das colisões, na procura, particularmente, do Boson de Higgs*. Para quê todo este frio? As experiências do LHC Contrariamente à Atlas cuja construção é subterrânea, o CMS foi montado na superfície. As provas de avaliação do CMS antes da sua baixada à caverna foram feitas em Agosto de 2006 pela CERN. Estas provas bateram o recorde mundial de campo magnético e de potência armazenada. Estes sucessos puderam ser atingidos graças ao sistema criogénico concebido pela Air Liquide que permite realizar o experimento a 4.5 K CMS ATLAS

16 Líder mundial em gases industriais e medicinais 16 Para quê a supra-condutividade? Os campos magnéticos intensos são necessários para acelerar e manter as partículas sobre a sua trajectória circular. A intensidade dos campos magnéticos está ligada ao diâmetro do acelerador de partículas, aumenta fortemente quando o diâmetro do acelerador diminui. O LHC foi construído num túnel da CERN que já existia. O seu funcionamento exigia produzir campos magnéticos muito potentes, da ordem de 10 Teslas, isto é 100.000 vezes o valor do campo magnético terrestre. A obtenção de estes campos magnéticos apenas era possível recorrendo a bobinas de materiais supra-condutores. Supra-condutividade e criogenia Porquê as baixas temperaturas? Os materiais supra-condutores apresentam uma resistência eléctrica nula abaixo de uma temperatura crítica de transição supercondutora. No caso dos materiais dos ímanes do acelerador de partícula LHC, esta temperatura é de (9K 264°C). Arrefecer a (1,9K 271°C) permite, além disso, optimizar o funcionamento e a estabilidade destes ímanes. Graças a estas temperaturas criogénicas, os ímanes apresentam as suas propriedades supra-condutoras. A resistência eléctrica de um supra-condutor é nula. É possível fazer passar correntes eléctricas muito grandes em fios com secções muito pequenas sem que se produza aquecimento por efeito Joule. Isto não é possível utilizando materiais convencionais como o cobre ou o alumínio, que aqueceriam fortemente.

17 Líder mundial em gases industriais e medicinais 17 Supercondutividade e criogenia Como é que se chega a uma temperatura de - 271°C ? É o núcleo do dispositivo da Air Liquide na CERN. Em primeiro lugar, o hélio é liquefeito a 4K (-269°C), temperatura de ebulição do hélio à pressão atmosférica. Já é uma proeza, mas é uma tecnologia habitual para a Air Liquide que já produz liquefactores de hélio. Como em toda a corrida, os últimos quilómetros requerem os maiores esforços. Assim, para alcançar a temperatura requerida de 1,9K, tem que se baixar a pressão a 200 milibares, isto é, a pressão atmosférica a 12 quilómetros de altitude. Um verdadeiro desafio quando se trabalha a temperaturas tão baixas! A criogenia é, pois, a chave de funcionamento da supra-condutividade. O sistema de refrigeração e de distribuição do fluído desenvolvido pela Air Liquide é a inovação tecnológica chave que permite a experimentação científica.

18 Líder mundial em gases industriais e medicinais 18 A inovação na Air Liquide 8 centros de I+D (França, Alemanha, Estados Unidos, Japão). 6 centros de Engenharia (Índia, China, França, Estados Unidos, Japão, Rússia / Ucrânia) e a Divisão de Técnicas Avançadas Três eixos principais de Investigação e Desenvolvimento em sintonia com as necessidades da sociedade contemporânea: O desenvolvimento sustentável e o ambiente, aos quais se dedica mais de 50% do orçamento de I+D, a saúde e o bem-estar, as tecnologias avançadas. Um orçamento de inovação de 165 milhões de euros em 2005 I+D : mais de 550 investigadores de 25 nacionalidades diferentes Tecnologias avançadas : 640 operários na Europa e nos Estados Unidos 200 a 250 inovações patenteadas todos os anos (isto é uma patente por dia) Mais de 100 parcerias industriais e mais de 100 colaborações internacionais com Universidades e Centros de Investigação

19 LAir Liquide, société anonyme pour létude et lexploitation des procédés de Georges Claude Au capital de 1 324 224 649 euros Siège social : 75, Quai dOrsay 75321 Paris Cedex 07 Tel : +33 (0)1 40 62 55 55 RCS Paris 552 096 281 Para mais informação : Direcção de Comunicação Corporativa: Dominique Maire + 33 (0)1 40 62 53 56 Corinne Estrade-Bordry + 33 (0)1 40 62 51 31 www.airliquide.com