Климатическая повестка проникает и в физику элементарных частиц

Рис. 1. Углеродный след производства электроэнергии (в граммах CO₂-эквивалента в расчете на киловатт-час) кардинально зависит от страны. Это может оказаться немаловажным фактором при выборе места для будущего коллайдерного проекта. Карта с сайта electricitymaps.com

Исследования в физике элементарных частиц требуют больших энергозатрат и тем самым опосредованно влияют на климат. Как оптимизировать энергопотребление и снизить воздействие фундаментальных исследований на окружающую среду без ущерба для решаемых научных задач — вопросы не праздные и совсем не простые. И хотя они поднимались и раньше, в последний год наблюдается рост публикаций и мероприятий, посвященных энергетическим и природоохранным аспектам исследований в физике элементарных частиц. Так, на днях завершилась конференция Sustainable HEP, на которой будущее физики частиц обсуждалось в контексте устойчивого развития. Инициатива Sustainability in HECAP готовит подробный документ о текущей ситуации в физике частиц и астрофизике. А в недавней публикации впервые проводится сравнение пяти проектов будущей хиггсовской фабрики по энергопотреблению и по выбросам парниковых газов в расчете на один рожденный бозон Хиггса. В ближайшие годы стоит ожидать рост публикаций и мероприятий такой направленности.

Переход на энергосберегающие технологии, сокращение выбросов парниковых газов, подсчет углеродного следа и, более широко, поиск новых возможностей минимизировать воздействие человека на окружающую среду — все эти вопросы не только стали неотъемлемой частью новых технологий, но и плотно вошли в повседневную жизнь. Прогресс — прогрессом, но без оглядки на природоохранные аспекты действовать уже нельзя. Климатическая повестка не обошла стороной и физику элементарных частиц. И если раньше упоминание энергосберегающих технологий и влияние коллайдерных экспериментов на климат было эпизодическим, то сейчас этой тематике посвящается все больше публикаций и даже проводятся отдельные рабочие совещания.

Экспериментальная физика частиц — очень энергоемкая область фундаментальных исследований. Необходимость оптимизации энергопотребления вызвана не только климатическими соображениями, но и бюджетными ограничениями. Конечно, при проектировании новых коллайдеров всегда ищутся решения, максимально эффективные с точки зрения энергопотребления. Скажем, работа Большого адронного коллайдера была бы просто немыслима без сверхпроводящих магнитов — слишком велики были бы потери энергии и операционные расходы при работе с обычными проводниками. ЦЕРН делает и новые шаги в этом направлении; они упомянуты в недавнем тематическом отчете ЦЕРНа, а также в популярной заметке Less, better, recover в издании CERN Courier. Тем не менее, энергопотребление ЦЕРНа летом, когда LHC работает на полных оборотах, огромно и достигает пиковой мощности 200 мегаватт. В зимние месяцы, когда стоимость электричества существенно выше, потребление электроэнергии падает до 80 мегаватт — во многом из-за того, что LHC и другие ускорители останавливаются на зиму.

Энергетическая оптимизация ЦЕРНа касается не только непосредственно научной аппаратуры, но и всей инфраструктуры центра, начиная с банального утепления помещений. Параллельно с этим ЦЕРН изучает возможность частично перейти на солнечную энергию и либо вырабатывать ее у себя, оборудовав сотни церновских корпусов солнечными панелями, либо получать ее по проектируемой подводной линии электропередач от солнечных электростанций северной Африки (рис. 2).

Рис. 2. Проект кабельной линии электропередач, связывающей солнечные электростанции на севере Африки с ЦЕРНом. Рисунок из готовящегося документа инициативной группы Sustainability in HECAP

Надо добавить, что в этом году ситуация усугубляется и надвигающимся энергетическим кризисом в Европе, вызванным резко взлетевшими ценами на электроэнергию. Так, в своем недавнем интервью газете The Wall Street Journal, Серж Клоде (Serge Claudet), председатель группы по координации энергоснабжения ЦЕРНа, рассказал, что лаборатория разрабатывает план, в соответствии с которым работа некоторых ускорителей, включая и LHC, может быть приостановлена в период пикового потребления электроэнергии во Франции. Аналогичные трудности встают и перед другими исследовательскими центрами Европы (см. заметку Europe’s energy crisis hits science в журнале Science).

Электроэнергия на то, чтобы «грызть гранит мироздания», тратится не только в ЦЕРНе. Распределенная компьютерная сеть GRID, хранящая и перебрасывающая сотни петабайт коллайдерных данных, сотни вычислительных центров, круглосуточно работающих над анализом столкновений или выполняющих моделирование, — все это тоже требует энергии и оставляет климатический след. А значит, следует задуматься и о том, как оптимизировать ресурсоемкие вычисления для физики частиц. Вопрос не нов: еще в 2010-х годах прошла серия рабочих совещаний Energy for Sustainable Science at Research Infrastructures, посвященных оптимизации энергопотребления крупных исследовательских центров.

Климатические и природоохранные аспекты не исчерпываются одним лишь энергопотреблением. Например, ЦЕРН ведет и публично выкладывает статистику по выбросам парниковых газов и прочих летучих соединений, по использованию воды, по переработке мусора и по другим аспектам работы центра. Наконец, регулярные — кто-то скажет, избыточные — перелеты физиков для научных визитов и участия в конференциях тоже представляют собой предмет для обсуждения. Тот же ЦЕРН ежегодно посещают десятки тысяч ученых из самых разных уголков мира. Два года пандемии показали, что некоторые форматы совещаний и научного общения можно перенести в онлайн, но, разумеется, не все, и поиск баланса с учетом всех неопределенностей совершенно не очевиден.

Необходимость обсудить широким экспертным сообществом, насколько все эти вопросы серьезны и что тут можно предпринять, побудила физиков организовать в прошлом году первое рабочее совещание Sustainable HEP, что можно расшифровать как «Будущее физики частиц в русле устойчивого развития». На днях, с 5 по 7 сентября, состоялось уже второе совещание из этой серии. Обе встречи прошли онлайн и собрали по несколько сотен экспертов разных профилей. Все материалы презентаций обеих встреч доступны на страницах с расписанием мероприятий (Sustainable HEP, Sustainable HEP — 2).

В марте 2022 года появилась публикация Climate impacts of particle physics с кратким обзором текущей климатической ситуации в физике частиц и рекомендациями, по крайней мере, для физиков из США. Параллельно группа неравнодушных ученых запустила инициативу Sustainability in HECAP для поиска возможностей минимизации климатического воздействия исследований в физике частиц и астрофизике. В настоящее время коллектив авторов готовит документ, фиксирующий положение дел и вырабатывающий рекомендации. Его нынешняя версия от 6 сентября насчитывает уже почти 100 страниц текста и доступна на сайте инициативы.

Наконец, публикуются исследования и влияния конкретных научных установок на климат. В статье The carbon footprint of proposed e⁺e⁻ Higgs factories, появившейся в конце августа в архиве электронных препринтов, обсуждается углеродный след от хиггсовской фабрики — будущего электрон-позитронного коллайдера, заточенного под изучение бозона Хиггса (см. Физики обсуждают варианты «хиггсовской фабрики», «Элементы», 19.12.2013). На сегодня имеется пять проектов разной степени проработанности, которые опираются на различающиеся технологии; какой вариант будет реализован — пока не решено. Авторы публикации, взяв технические данные и ожидаемую научную отдачу, попробовали сравнить пять проектов друг с другом по двум величинам: энергопотреблению и углеродному следу в расчете на один бозон Хиггса, рожденный на коллайдере (рис. 3). Оценки показывают, что лидером по обоим параметрам является церновский проект циклического коллайдера FCC-ee (Представлен детальный проект будущего коллайдера FCC, «Элементы», 22.01.2019).

Рис. 3. Сравнение пяти проектов будущей хиггсовской фабрики по энергопотреблению (в мегаватт-часах, слева) и по углеродному следу (выбросы в тоннах CO₂, справа) в расчете на один произведенный на коллайдере бозон Хиггса. Изображение из публикации P. Janot, A. Blondel, 2022. The carbon footprint of proposed e⁺e⁻ Higgs factories

Источник: Patrick Janot, Alain Blondel. The carbon footprint of proposed e⁺e⁻ Higgs factories // Препринт [arXiv:2208.10466].

Игорь Иванов