Les pompes cryogéniques de Vanzetti Engineering intègrent le projet de recherche ARIA

Les pompes cryogéniques de Vanzetti Engineering ont été choisies dans le cadre du projet ARIA de l’Institut italien de physique nucléaire (INFN) – en partenariat avec Carbosulcis S.p.A., une entreprise publique appartenant à la Région Sardaigne. Vanzetti Engineering assurera la fourniture de deux pompes cryogéniques de la série VT-1. Le projet final prévoit la construction en Sardaigne d’une tour de distillation cryogénique de 350 mètres de haut, pour produire de l’argon ultra-pur à des fins d’expérience sur la matière noire. Les pompes cryogéniques seront des composants du circuit auxiliaire de l’usine, dont le rôle est de faire recirculer l’azote liquide dans l’unité de distillation primaire d’argon pur.

Les pompes cryogéniques au service de la recherche

Débuté en 2015, le projet Aria consiste en la construction d’une tour de distillation cryogénique en Sardaigne en vue de la production d’isotopes stables enrichis et de très grande pureté. Il fait partie intégrante de l’expérience DarkSide-20k, réalisée dans les laboratoires nationaux du Gran Sasso (LNGS) de l’INFN et dont l’objectif est de détecter la présence de matière noire. En effet, la matière noire, dont la nature reste inconnue à ce jour, constitue la majeure partie de la matière qui compose notre univers, où elle est présente en quantité cinq fois supérieure à la matière ordinaire. La compréhension de sa nature demeure par conséquent l’un des principaux domaines de recherche en physique fondamentale, car elle apporterait une contribution décisive aux études en cosmologie, en physique et en astrophysique.

Pour mener à bien cette expérience, les chercheurs auront recours à un détecteur qui utilise l’argon liquide comme scintillateur pour déceler l’interaction des WIMP (Weakly Interacting Massive Particle). Selon certaines théories, ce type particulier de particule est l’un des candidats les plus prometteurs pour constituer la matière noire. De grandes quantités d’argon appauvri, c’est-à-dire dépourvu de l’isotope 39, seront nécessaires pour réaliser cette expérience. Cela a conduit au développement de deux projets liés à DarkSide : Urania et Aria.

Le premier prévoit la construction d’une installation au Colorado, où une source d’argon propre a été trouvée dans le sous-sol, protégée des rayons cosmiques et par conséquent non contaminée par ceux-ci. Grâce au projet Urania, lui-même initié par l’INFN, l’argon appauvri obtenu sera transporté en Sardaigne, où il sera filtré et purifié par la colonne de distillation créée dans le cadre du projet Aria. Enfin, l’argon pur sera introduit dans le détecteur DarkSide-20 des laboratoires nationaux du Gran Sasso en vue de la réalisation de recherches.

Le second, Aria, comprend la construction d’une colonne de distillation pour la production de l’argon, ainsi que d’un système de réfrigération de l’azote liquide. L’équipement de Vanzetti Engineering va notamment intervenir dans ce circuit de réfrigération auxiliaire par la fourniture de deux pompes de suralimentation de l’azote liquide, qui servent à déplacer l’azote liquide du bas vers le haut de la colonne. Il s’agit de deux pompes cryogéniques alternatives de la série VT-1, chacune servant de pompe de secours à l’autre.

Dans ce procédé, on assiste à un échange thermique continu entre deux fluides cryogéniques, ce qui entraîne une transition naturelle des couches d’argon plus lourdes dans la colonne. Ce mouvement contribue à une purification extrême de l’argon par le biais de cycles répétés d’évaporation et de condensation, en poursuivant comme objectif ultime d’éliminer les substances indésirables susceptibles d’altérer les résultats des expériences scientifiques sur la matière noire.

Les pompes VT-1 de Vanzetti Engineering pour un transfert optimal de l’azote liquide en environnement difficile

Le projet a, en outre, nécessité l’aménagement d’un puits dans un sous-sol afin de bien ancrer la colonne de distillation, qui mesure environ 350 mètres de haut, car il serait impossible de construire en surface une structure de soutien présentant de telles dimensions. C’est ainsi qu’est née l’idée d’exploiter le puits de 350 mètres de profondeur de la mine de charbon située dans la province de Sardaigne du Sud et gérée par Carbosulcis S.p.A., une entreprise publique appartenant à la Région Sardaigne.

« Nous sommes actuellement en train de réaliser l’installation prototype, appelée Seruci 0, d’après le nom du site minier, qui représente une colonne à échelle réduite par rapport à l’installation finale », explique Federico Gabriele. « Au lieu des 28 modules centraux prévus dans le cas de l’installation finale, cette colonne se compose d’un seul module central, des modules Top et Bottom et est installée en surface au lieu d’être implantée dans le sous-sol. Tous les équipements nécessaires au fonctionnement de la colonne sont les mêmes que ceux qui seront utilisés pour l’installation définitive, appelée Seruci 1. Une fois tous les essais et l’installation des structures de support à l’intérieur du puits terminés, Seruci 0 sera démonté et reconstruit sur le site définitif, avec les 28 modules prévus par le projet et une hauteur totale d’environ 350 mètres. »

Les pompes cryogéniques sont l’un des rares éléments du système à être installés au fond du puits de mine. Les pompes VT-1 de Vanzetti Engineering ont été justement choisies car, en plus de garantir une hauteur de refoulement de 350 mètres, elles sont en mesure de fonctionner de manière optimale, même dans des environnements fermés et humides, et ce de manière continue dans le temps.