Kann ein Beschleunigerring als Energiespeicher genutzt werden?

Lassen Sie mich zunächst auf das Thema Magnete eingehen. Der Large Hadron Collider beispielsweise benötigt 1232 Dipolmagnete, die Magnetfelder von 8,3 Tesla erzeugen. Ich bin ein wenig zweifelhaft, ob Magnete aus seltenen Erden dies richtig erreichen könnten; Einzeln scheinen sie nicht in der Lage zu sein, Felder von mehr als ~ 1 Tesla zu erreichen - und sie sind auch nicht in der Lage, dieses Feld weit genug von den Magneten selbst entfernt zu halten. Sie könnten dies kompensieren, indem Sie viele miteinander kombinieren, aber ich bin nicht davon überzeugt, dass sie angemessen wären. Ich bin auch nicht davon überzeugt, dass sie die gewünschte Feldgeometrie erzeugen könnten, aber ich könnte mich irren.

Wenn wir keine Seltenerdmagnete verwenden können und auf normale alte supraleitende Magnete zurückgreifen müssen – nun, das würde die Idee völlig zunichte machen. Diese Magnete müssen auf nur 1,9 Grad über dem absoluten Nullpunkt gekühlt werden. Das kostet Geld – und Strom. Wenn der Collider verwendet wird, benötigt CERN 200 Megawatt Leistung , also etwa ein Drittel des Stromverbrauchs von Genf – und ein Großteil dieser Leistung geht nicht in den Teilchenstrahl.

Lassen Sie uns diese besondere Schwierigkeit umgehen. Wenn Sie die Verluste durch Synchrotronstrahlung berechnen möchten, ist die Leistung, die ein geladenes Teilchen abgibt$q$und Masse$m$auf einer Kreisbahn mit Radius reisen$r$bei einer Energie$E$, mit einer Geschwindigkeit nahe der Lichtgeschwindigkeit, ist ungefähr

$$P\approx\frac{2kq^2(E/mc^2)^4c}{3r^2}=\frac{2kq^2E^4}{3m^4c^7r^2}$$ Für den LHC, Einstellung$m$Und$q$die Masse eines Protons sein,$r$der Radius des LHC sein (ca. 4,3 km) und$E$7 TeV zu sein, erhalten wir einen Leistungsverlust pro Proton von$7.73\times10^{-12}$Watts, was wirklich nicht so schlimm ist. Andererseits entsprechen 7 TeV etwa$10^{-6}$Joule, also verlieren Sie im Laufe von Tagen bis Wochen tatsächlich eine erhebliche Menge an Energie (bedenken Sie das$P$nimmt ab, wenn die Teilchen Energie verlieren). Kurz gesagt, wir müssen Energieverluste berücksichtigen - obwohl Sie dies durch eine Erhöhung abmildern könnten$r$(Huch!).

Könntest du das wiederherstellen? Nun, Sie müssten das Spektrum der Synchrotronstrahlung berücksichtigen ; Teilchen mit höherer Energie haben eine Spitzenemission bei höheren Photonenenergien mit einer Emissionsspitze bei einer Wellenlänge$\lambda_c$das skaliert wie

$$\lambda_c\propto\frac{1}{E^2B}$$ Dies könnte eine Herausforderung darstellen, wenn Sie versuchen, so etwas wie ein Solarpanel in der Strahlröhre zu erstellen - obwohl ich mir auch große Sorgen darüber machen würde, dass dieses solarpanelähnliche Gerät von relativistischen Teilchen getroffen wird, da der Strahl dies nicht ist perfekt! Daher wäre vielleicht ein System, das auf direkt absorbierenden Photonen basiert, problematisch.

Schließlich haben wir noch die Frage, wie viel Energie gespeichert werden kann – und es gibt grundsätzliche Grenzen, wie energetisch einzelne Teilchen in den Strahlen eines Beschleunigers aufgrund der Eigenschaften dieses Beschleunigers sein können. Höhere Energien erfordern entweder stärkere Magnetfelder, größere Beschleuniger oder mehr Teilchen pro Strahl, was vermutlich auch durch technische Einschränkungen begrenzt ist. Ich weiß nicht, was die ultimative Grenze ist, aber ich bin mir sicher, dass es eine gibt.

Zusamenfassend:

• Ich würde gerne Beweise dafür sehen, dass der Ansatz der Seltenen Erden funktionieren könnte.
• Wenn Sie supraleitende Magnete verwenden, wird das Ganze nicht effizient sein.
• Wenn man nur den LHC als Modell verwendet, werden Synchrotronverluste auf Zeitskalen von Tagen oder Wochen wichtig.
• Vielleicht könnten Sie diesen Verlust wettmachen, aber ich sehe nicht, wie. Bei normalen Photonen absorbierenden Geräten besteht die Gefahr, dass sie beschädigt werden.

Lassen Sie uns eine grobe Schätzung des Synchrotronstrahlungsverlusts unter Verwendung des LHC für Datenpunkte vornehmen. Dies ( https://en.wikipedia.org/wiki/Synchrotron_radiation ) stellt fest, dass " jedes Proton aufgrund dieses Phänomens 6,7 keV pro Umdrehung verlieren kann. ". Dies ( https://en.wikipedia.org/wiki/Large_Hadron_Collider ) sagt " ...11.245 Umdrehungen pro Sekunde für Protonen ... " und in Kombination mit dem Obigen ergibt sich ein geschätzter Verlust von ~ 75,3 MeV pro Sekunde pro Proton durch Synchrotronstrahlung. Derselbe Link besagt auch, dass die Spitzenenergie der Protonen im Strahl derzeit ~6,5 TeV beträgt. Nun, wenn der Energieverlust des Synchrotrons linear wäre, würde die Mathematik aufgehen, dass die gesamte Energie an fast genau einem Tag verloren geht, aber zu unserem Nachteil ist das nicht der Fall. Das (http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Particles/synchrotron.html ) stellt fest, dass " ... diese abgestrahlte Energie proportional zur vierten Potenz der Teilchengeschwindigkeit und umgekehrt proportional zum Quadrat der ist Radius der Bahn. ... Das bedeutet, dass der Verlust mit der vierten Potenz der Teilchenenergie γmc² skaliert , wobei γ vom Quadrat der Geschwindigkeit abhängt. Das bedeutet, dass die meiste Energie der gespeicherten Teilchen ziemlich schnell (wahrscheinlich innerhalb weniger Stunden) in einem LHC-großen Ring abgestrahlt wird.

Verluste können reduziert werden, indem man einen Ring baut, der noch größer als der LHC ist, aber dann hat man eine noch gewaltigere technische Aufgabe, als den LHC für sehr wenig Gewinn zu bauen.

Also, nein, es scheint wahrscheinlich nicht praktikabel zu sein.