Pompe criogeniche per la ricerca

(Immagine: Vanzetti Engineering.)

Le pompe criogeniche di Vanzetti Engineering sono state scelte per il Progetto Aria dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) in partnership con Carbosulcis SpA, società di proprietà della Regione Sardegna. Il progetto consiste in una torre di distillazione criogenica per la produzione di isotopi stabili arricchiti ad elevata purezza. Le pompe criogeniche sono componenti del circuito ausiliario dell'impianto che ricircola l'azoto liquido nell'unità di distillazione primaria dell'argon superpuro.

Il Progetto Aria prevede la costruzione di una torre di distillazione criogenica in Sardegna per la produzione di isotopi stabili arricchiti ad elevata purezza. Il progetto Aria è parte integrante dell'esperimento DarkSide-20k che verrà condotto presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), il cui obiettivo è la rivelazione diretta della materia oscura. La materia oscura, la cui natura è ancora sconosciuta, rappresenta la maggior parte della materia che compone il nostro universo, dove è cinque volte più abbondante della materia ordinaria che costituisce tutto ciò che possiamo vedere oggi. Comprenderne la natura è quindi uno dei principali ambiti di ricerca nel campo della fisica fondamentale, poiché darebbe un contributo significativo alla comprensione della cosmologia, della fisica e dell'astrofisica.

L'esperimento DarkSide-20k è gestito dall'International DarkSide Collaboration e coinvolge oltre 500 ricercatori provenienti da università e istituti di ricerca di tutto il mondo. Per l'esperimento verrà utilizzato un rivelatore che utilizza argon liquido come fluido di scintillazione per l'interazione con le WIMP (Weakly Interacting Massive Particle). Secondo alcune teorie, questo particolare tipo di particella è uno dei candidati più promettenti per la costituzione della materia oscura. Per condurre questo esperimento sono necessarie grandi quantità di argon impoverito, cioè privo dell'isotopo 39. Ciò ha portato allo sviluppo di due progetti correlati a DarkSide: Urania e Aria. Il primo prevede la costruzione di un impianto, attualmente in costruzione, in Colorado dove è stata localizzata una sorgente di argon pulito nel sottosuolo, protetta dai raggi cosmici e quindi non contaminata da essi. Il Progetto Urania (anch'esso di proprietà dell'INFN) consentirà di ottenere l'argon impoverito, che verrà poi trasportato in Sardegna dove verrà ulteriormente filtrato e purificato dalla colonna di distillazione del Progetto Aria. Infine, l'argon puro verrà inserito nel rivelatore DarkSide-20 nei Laboratori Nazionali del Gran Sasso per effettuare ricerche.

Il progetto Aria

“Lo scopo principale della colonna di distillazione del Progetto Aria è produrre argon per l'esperimento DarkSide. Tuttavia, poiché consente la produzione di isotopi stabili (come ossigeno 18, carbonio 12, azoto 15 ed eventualmente altri), riveste anche un notevole interesse industriale e commerciale”, spiega Federico Gabriele, Coordinatore Tecnico del progetto e ricercatore INFN. “Gli isotopi stabili trovano impiego in diverse applicazioni, come la medicina nucleare per la diagnostica medica, l’agricoltura biologica o la microelettronica di precisione. Queste sostanze vengono attualmente prodotte in pochi impianti al mondo e con metodi diversi, come la centrifugazione, che richiede elevati consumi energetici. Il Progetto Aria, invece, sfrutta la relativa volatilità tra queste sostanze – la distillazione avviene infatti separando gli isotopi in base al loro coefficiente di volatilità – consentendo una notevole riduzione dei costi di produzione. Considerando che le quantità prodotte quotidianamente di queste sostanze sono attualmente dell’ordine di poche decine di chili e che il mercato è in rapida espansione, si comprende l’importanza del progetto e le notevoli potenzialità di questo impianto, che sarà unico per tipologia e dimensioni anche a livello industriale”.

Il Progetto Aria, avviato nel 2015, necessita di un pozzo profondo circa 350 metri per l'ancoraggio della colonna di distillazione, poiché sarebbe impossibile realizzare una struttura di supporto di dimensioni analoghe fuori terra. Per questo motivo si è deciso di utilizzare il pozzo profondo 350 metri di una miniera di carbone nella Provincia del Sud Sardegna, gestito da Carbosulcis SpA, di proprietà della Regione Sardegna.

“L'impianto prototipo, Seruci 0, che prende il nome dal sito minerario, è attualmente in costruzione. Si tratta di una colonna in scala ridotta rispetto a quella che verrà utilizzata nell'impianto definitivo”, spiega Federico Gabriele. “Invece dei 28 moduli centrali dell'impianto definitivo, questa colonna è composta da un singolo modulo centrale, un modulo Top e un modulo Bottom e viene installata fuori terra anziché interrata. Tutte le attrezzature necessarie al funzionamento della colonna sono le stesse che verranno utilizzate per l'impianto definitivo, Seruci 1. Una volta completati tutti i test e installate le strutture di supporto nel pozzo, Seruci 0 verrà smontata e ricostruita nel sito di installazione definitivo, con i 28 moduli previsti dal progetto e con un'altezza totale di circa 350 metri.”

Pompe criogeniche per azoto liquido

Il progetto finale prevede la costruzione della colonna di distillazione, il cuore del sistema, e del sistema di refrigerazione ad azoto liquido. L'attrezzatura fornita da Vanzetti Engineering è costituita da due pompe booster per azoto liquido, utilizzate per spostare l'azoto liquido dal fondo alla sommità della colonna e installate nel circuito di refrigerazione ausiliario. Queste due pompe criogeniche alternative identiche della serie VT-1 fungono da backup l'una dell'altra. In breve, questo processo prevede il continuo scambio termico tra due fluidi criogenici, che provoca la naturale transizione degli strati di argon più pesanti all'interno della colonna. Questo movimento, attraverso ripetuti cicli di evaporazione e condensazione, favorisce l'estrema purificazione dell'argon, il cui obiettivo finale è l'eliminazione di sostanze indesiderate che potrebbero influenzare i risultati degli esperimenti scientifici condotti sulla materia oscura.

Le pompe criogeniche sono uno dei pochi elementi del sistema installati sul fondo del pozzo minerario . Le pompe VT-1 della Vanzetti Engineering sono state scelte perché oltre a garantire una prevalenza di 350 metri sono in grado di funzionare perfettamente e in continuo (24/24) anche in ambienti chiusi ad alta umidità.

BOX: Sistemi criogenici per gas atmosferici

Ossigeno, azoto e idrogeno sono piccole molecole essenziali per la vita, la materia e l'energia . Oggi, Vanzetti Engineering è un fornitore italiano riconosciuto di pompe e sistemi criogenici per molti importanti progetti che non si basano solo sul Gas Naturale Liquefatto (GNL) , ma anche sui gas atmosferici. Per soddisfare la domanda del mercato di apparecchiature per il controllo, lo stoccaggio e la regolazione del gas, Vanzetti Engineering produce pompe e sistemi di pompaggio per il trasferimento di liquidi criogenici ottenuti dalla distillazione atmosferica dell'aria a temperature molto basse. I componenti dell'aria includono azoto, ossigeno, argon, anidride carbonica e altri gas noti come gas industriali o atmosferici.

A seconda delle esigenze di portata e pressione, Vanzetti Engineering è in grado di fornire sia pompe a pistoni alternativi che pompe centrifughe monostadio e multistadio, esterne o sommerse. L'azienda, con sede in provincia di Cuneo, in Piemonte, supporta un ampio numero di clienti in diversi mercati: soluzioni gas per l'industria, trattamento termico, saldatura e taglio, gassificazione, combustione di ossigeno, trattamento acque, congelamento e raffreddamento di alimenti, imballaggio, sintesi petrolchimica, fornitura di ossigeno medicale, elettronica, energie alternative.

Fondata nel 1984, Vanzetti Engineering SpA è l'unica azienda italiana attiva nella progettazione e costruzione di apparecchiature criogeniche per Gas Naturale Liquefatto (GNL) e aria gassosa. Vanzetti Engineering offre un'ampia gamma di prodotti che coprono tutte le applicazioni a valle della filiera del GNL.

Lo stabilimento di 12.000 m2, inaugurato nel 2015, ospita reparti di produzione di pompe criogeniche e skid; ciò ha permesso all'azienda di aumentare significativamente la propria capacità produttiva.