Bombas criogénicas para investigación

(Imagen: Vanzetti Engineering.)

Las bombas criogénicas de Vanzetti Engineering han sido seleccionadas para el Proyecto Aria del Instituto Nacional de Física Nuclear (INFN), en colaboración con Carbosulcis SpA, empresa estatal de Cerdeña. El proyecto consiste en una torre de destilación criogénica para la producción de isótopos estables enriquecidos de alta pureza. Las bombas criogénicas forman parte del circuito auxiliar de la planta que recircula el nitrógeno líquido en la unidad de destilación primaria de argón ultrapuro.

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. Este proyecto forma parte integral del experimento DarkSide-20k, que se llevará a cabo en los Laboratorios Nacionales del Gran Sasso (LNGS) del Instituto Nacional de Física Nuclear (INFN), cuyo objetivo es la detección directa de materia oscura. 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 conforma todo lo que podemos observar. Por lo tanto, comprender su naturaleza es una de las principales áreas de investigación en el campo de la física fundamental, ya que contribuiría significativamente a la comprensión de la cosmología, la física y la astrofísica.

El experimento DarkSide-20k, dirigido por la Colaboración Internacional DarkSide, cuenta con la participación de más de 500 investigadores de universidades e institutos de investigación de todo el mundo. Para el experimento se utilizará un detector que emplea argón líquido como fluido de centelleo para la interacción con WIMPs (partículas masivas de interacción débil). Según algunas teorías, este tipo de partícula es una de las candidatas más prometedoras para constituir la materia oscura. Para llevar a cabo este experimento se requieren grandes cantidades de argón empobrecido, es decir, sin el isótopo 39. Esto ha impulsado el 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 localizado una fuente subterránea de argón puro, protegida de los rayos cósmicos y, por lo tanto, libre de contaminación. El Proyecto Urania (también propiedad del INFN) permitirá obtener el argón empobrecido, que posteriormente se transportará a Cerdeña, donde se filtrará y purificará mediante la columna de destilación del Proyecto Aria. Por último, el argón puro se colocará en el detector DarkSide-20 de los Laboratorios Nacionales del Gran Sasso para llevar a cabo investigaciones.

El proyecto Aria

“El objetivo principal de la columna de destilación del Proyecto Aria es producir argón para el experimento DarkSide. Sin embargo, dado que permite producir isótopos estables (como oxígeno 18, carbono 12, nitrógeno 15 y posiblemente otros), también reviste un importante interés industrial y 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 diagnósticos médicos, la agricultura ecológica o la microelectrónica de precisión. Actualmente, estas sustancias se producen en unas pocas instalaciones en todo el mundo mediante diversos métodos, como la centrifugación, que requiere un alto consumo de energía. El Proyecto Aria, en cambio, 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 considerable reducción de los costes de producción. Teniendo en cuenta que la producción diaria de estas sustancias es actualmente del orden de unas pocas decenas de kilos y que el mercado está en rápida expansión, resulta evidente la importancia del proyecto y el considerable potencial de esta planta, que será única en su tipo y tamaño incluso a nivel industrial.

El proyecto Aria, iniciado 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 en superficie. Por ello, se decidió utilizar el pozo de 350 metros de profundidad de una mina de carbón en la provincia de Cerdeña del Sur, operada por Carbosulcis SpA, empresa propiedad de la Región de Cerdeña.

“La planta prototipo, Seruci 0, que toma su nombre del yacimiento minero, se encuentra actualmente en construcción. Se trata de una columna a 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 en superficie en lugar de bajo tierra. Todos los equipos necesarios para el funcionamiento de la columna son los mismos que se utilizarán en la planta final, Seruci 1. Una vez completadas todas las pruebas e instaladas las estructuras de soporte en el pozo, Seruci 0 se desmontará y se reconstruirá en el emplazamiento de la instalación final, con los 28 módulos previstos en el proyecto y una altura total de aproximadamente 350 metros”.

Bombas criogénicas para nitrógeno líquido

El proyecto final comprende la construcción de la columna de destilación, núcleo del sistema, y el sistema de refrigeración con nitrógeno líquido. El equipo suministrado por Vanzetti Engineering consta de dos bombas de refuerzo de nitrógeno líquido que se utilizan para impulsar el nitrógeno líquido desde la parte inferior hasta la superior de la columna y están instaladas en el circuito de refrigeración auxiliar. Estas dos bombas criogénicas reciprocantes idénticas de la serie VT-1 funcionan como respaldo mutuo. En resumen, este proceso implica el intercambio continuo de calor entre dos fluidos criogénicos, lo que provoca la transición natural de las capas de argón, más pesadas, dentro de la columna. Este movimiento, mediante ciclos repetidos de evaporación y condensación, favorece la purificación extrema del argón, cuyo objetivo final es eliminar las sustancias no deseadas que podrían afectar los resultados de los experimentos científicos realizados con materia oscura.

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

RECUADRO: Sistemas criogénicos para gases atmosféricos

El oxígeno, el nitrógeno y el hidrógeno son moléculas pequeñas esenciales para la vida, la materia y la energía . Vanzetti Engineering es hoy un proveedor italiano de renombre en el sector de bombas y sistemas criogénicos para numerosos proyectos importantes, basados no solo en gas natural licuado (GNL) , sino también en gases atmosféricos. Para satisfacer la demanda del mercado de equipos para el control, almacenamiento y regulación de gases, Vanzetti Engineering fabrica bombas y sistemas de bombeo para la transferencia de líquidos criogénicos obtenidos mediante la destilación atmosférica del aire a muy bajas temperaturas. Los componentes del aire incluyen nitrógeno, oxígeno, argón, dióxido de carbono y otros gases conocidos como gases industriales o atmosféricos.

En función de los requisitos de caudal y presión, Vanzetti Engineering suministra bombas de pistón alternativas y bombas centrífugas de una o varias etapas, externas o sumergibles. La empresa, con sede en la provincia de Cuneo, en Piamonte, presta servicio a numerosos clientes en diversos sectores: soluciones de gas para la industria, tratamiento térmico, soldadura y corte, gasificación, combustión de oxígeno, tratamiento de aguas, congelación y refrigeración de alimentos, envasado, síntesis petroquímica, suministro de oxígeno medicinal, electrónica y energías alternativas.

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

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