Bombas criogênicas para pesquisa

(Imagem: Vanzetti Engineering.)

As bombas criogênicas da Vanzetti Engineering foram selecionadas para o Projeto Aria do Instituto Nacional de Física Nuclear (INFN), em parceria com a Carbosulcis SpA, empresa pertencente à Região da Sardenha. O projeto consiste em uma torre de destilação criogênica para a produção de isótopos estáveis enriquecidos de alta pureza. As bombas criogênicas são componentes do circuito auxiliar da planta, que recircula o nitrogênio líquido na unidade primária de destilação de argônio superpuro.

O Projeto Aria envolve a construção de uma torre de destilação criogênica na Sardenha para a produção de isótopos estáveis enriquecidos de alta pureza. O projeto Aria é parte integrante do experimento DarkSide-20k, que será realizado nos Laboratórios Nacionais de Gran Sasso (LNGS) do Instituto Nacional de Física Nuclear (INFN), cujo objetivo é detectar diretamente a matéria escura. A matéria escura, cuja natureza ainda é desconhecida, representa a maior parte da matéria que compõe o nosso universo, sendo cinco vezes mais abundante que a matéria comum que constitui tudo o que podemos ver hoje. Compreender a sua natureza é, portanto, uma das principais áreas de pesquisa no campo da física fundamental, pois contribuiria significativamente para a compreensão da cosmologia, da física e da astrofísica.

O experimento DarkSide-20k é conduzido pela Colaboração Internacional DarkSide e envolve mais de 500 pesquisadores de universidades e institutos de pesquisa do mundo todo. Um detector que utiliza argônio líquido como fluido de cintilação para a interação de WIMPs (Partículas Massivas de Interação Fraca) será usado no experimento. De acordo com algumas teorias, esse tipo específico de partícula é um dos candidatos mais promissores para constituir a matéria escura. Grandes quantidades de argônio empobrecido, ou seja, sem o isótopo 39, são necessárias para a realização deste experimento. Isso levou ao desenvolvimento de dois projetos relacionados ao DarkSide: Urania e Aria. O primeiro envolve a construção de uma planta, atualmente em construção, no Colorado, onde uma fonte de argônio puro foi localizada no subsolo, protegida dos raios cósmicos e, portanto, não contaminada por eles. O Projeto Urania (também pertencente ao INFN) permitirá a obtenção do argônio empobrecido, que será então transportado para a Sardenha, onde será filtrado e purificado pela coluna de destilação do Projeto Aria. Por fim, o argônio puro será colocado no detector DarkSide-20, nos Laboratórios Nacionais de Gran Sasso, para a realização de pesquisas.

O Projeto Aria

“O objetivo principal da coluna de destilação do Projeto Aria é produzir argônio para o experimento DarkSide. No entanto, como permite a produção de isótopos estáveis (como oxigênio-18, carbono-12, nitrogênio-15 e possivelmente outros), ela também apresenta significativo interesse industrial e comercial”, explica Federico Gabriele, coordenador técnico do projeto e pesquisador do INFN. “Isótopos estáveis são utilizados em diversas aplicações, como medicina nuclear para diagnósticos médicos, agricultura orgânica ou microeletrônica de precisão. Atualmente, essas substâncias são produzidas em poucas instalações ao redor do mundo, utilizando diversos métodos, como a centrifugação, que exige grande quantidade de energia. O Projeto Aria, por outro lado, explora a volatilidade relativa entre essas substâncias – na verdade, a destilação ocorre pela separação dos isótopos de acordo com seu coeficiente de volatilidade – permitindo uma redução considerável nos custos de produção. Considerando que a produção diária dessas substâncias é atualmente da ordem de algumas dezenas de quilos e que o mercado está em rápida expansão, percebe-se a importância do projeto e o considerável potencial dessa planta, que será única em termos de tipo e tamanho, mesmo em escala industrial.”

O Projeto Aria, iniciado em 2015, exige um poço com aproximadamente 350 metros de profundidade para ancorar a coluna de destilação, pois seria impossível construir uma estrutura de suporte com dimensões semelhantes acima do solo. Por isso, optou-se por utilizar o poço de 350 metros de profundidade de uma mina de carvão na Província da Sardenha do Sul, operada pela Carbosulcis SpA, empresa pertencente à Região da Sardenha.

“A planta protótipo, Seruci 0, nomeada em homenagem ao local da mina, está atualmente em construção. Trata-se de uma coluna em escala reduzida em comparação com a que será utilizada no sistema final”, explica Federico Gabriele. “Em vez dos 28 módulos centrais do sistema final, esta coluna consiste em um único módulo central, um módulo superior e um módulo inferior, e é instalada acima do solo, em vez de no subsolo. Todos os equipamentos necessários para a operação da coluna são os mesmos que serão utilizados na planta final, Seruci 1. Assim que todos os testes forem concluídos e as estruturas de suporte forem instaladas no poço, a Seruci 0 será desmontada e reconstruída no local de instalação final, com os 28 módulos previstos no projeto e com uma altura total de cerca de 350 metros.”

Bombas criogênicas para nitrogênio líquido

O projeto final envolve a construção da coluna de destilação, o núcleo do sistema, e o sistema de refrigeração com nitrogênio líquido. O equipamento fornecido pela Vanzetti Engineering consiste em duas bombas de reforço de nitrogênio líquido, utilizadas para movimentar o nitrogênio líquido da parte inferior para a superior da coluna, e instaladas no circuito de refrigeração auxiliar. Essas duas bombas criogênicas alternativas idênticas da Série VT-1 atuam como reserva uma da outra. Resumidamente, esse processo envolve a troca contínua de calor entre dois fluidos criogênicos, o que causa a transição natural das camadas mais densas de argônio dentro da coluna. Esse movimento, por meio de ciclos repetidos de evaporação e condensação, promove a purificação extrema do argônio, cujo objetivo final é eliminar substâncias indesejáveis que possam afetar os resultados dos experimentos científicos conduzidos sobre a matéria escura.

As bombas criogênicas são um dos poucos elementos do sistema instalados no fundo do poço da mina . As bombas VT-1 da Vanzetti Engineering foram escolhidas porque, além de garantirem uma altura manométrica de 350 metros, também são capazes de operar perfeitamente e continuamente (24 horas por dia), mesmo em ambientes fechados com alta umidade.

CAIXA: Sistemas criogênicos para gases atmosféricos

Oxigênio, nitrogênio e hidrogênio são pequenas moléculas essenciais para a vida, a matéria e a energia . Hoje, a Vanzetti Engineering é uma fornecedora italiana reconhecida de bombas e sistemas criogênicos para muitos projetos importantes, não apenas aqueles baseados em Gás Natural Liquefeito (GNL) , mas também em gases atmosféricos. Para atender à demanda do mercado por equipamentos de controle, armazenamento e regulação de gases, a Vanzetti Engineering fabrica bombas e sistemas de bombeamento para a transferência de líquidos criogênicos obtidos da destilação atmosférica do ar em temperaturas muito baixas. Os componentes do ar incluem nitrogênio, oxigênio, argônio, dióxido de carbono e outros gases conhecidos como gases industriais ou atmosféricos.

Dependendo das necessidades de vazão e pressão, a Vanzetti Engineering é capaz de fornecer bombas de pistão alternativo e bombas centrífugas de um ou múltiplos estágios, externas ou submersíveis. A empresa, sediada na província de Cuneo, no Piemonte, atende a um grande número de clientes em diversos mercados: soluções de gás para a indústria, tratamento térmico, soldagem e corte, gaseificação, combustão com oxigênio, tratamento de água, congelamento e resfriamento de alimentos, embalagens, síntese petroquímica, fornecimento de oxigênio medicinal, eletrônica e energias alternativas.

Fundada em 1984, a Vanzetti Engineering SpA é a única empresa italiana atuante no projeto e construção de equipamentos criogênicos para Gás Natural Liquefeito (GNL) e gás ar. A Vanzetti Engineering oferece uma ampla gama de produtos que abrangem todas as aplicações a jusante da cadeia de valor do GNL.

A fábrica de 12.000 m², inaugurada em 2015, abriga departamentos de fabricação de bombas e sistemas criogênicos; isso permitiu à empresa aumentar significativamente sua capacidade de produção.