Fysici willen veel groener gaan werken, want een deeltjesversneller vreet energie

Het scheelt keiharde kilowatturen: de Large Hadron Collider staat uit. Beheerder CERN is een van de grootste energieverbruikers van Frankrijk. Jaarlijks verbruikt de deeltjesversnellerorganisatie 1,3 terawattuur aan elektriciteit, ongeveer een derde van het jaarlijkse stroomverbruik van Amsterdam.

CERN is niet de enige. Vrijwel alle grote natuurkundige experimenten, van deeltjesversnellers tot (ruimte)telescopen, vreten energie. De laatste jaren komt daar steeds meer aandacht voor vanuit de gemeenschap zelf. Dat blijkt onder meer uit wetenschappelijke publicaties met kwantitatieve analyses van de CO₂-voetafdruk van huidige experimenten en van toekomstige installaties, die nog in de ontwerpfase zitten. De CO₂-voetafdruk is hierbij de totale uitstoot van broeikasgassen, omgerekend naar CO₂-equivalent, waarbij broeikasgassen die geen CO₂ zijn, zoals methaan, worden omgerekend naar de hoeveel CO₂ die dezelfde bijdrage zou hebben aan de opwarming van de aarde.

Uitstoot telescopen

De auteurs pleiten ervoor om de CO₂-uitstoot en de overige milieubelasting van wetenschappelijk onderzoek zoveel mogelijk te beperken. „Het is belangrijk voor wetenschappers om te handelen”, zei sterrenkundige Annie Hughes eind maart tijdens een persconferentie over de uitstoot van observatoria. „Als wij als wetenschappers niet reageren op de rapporten en waarschuwingen van onze [klimaatwetenschappelijke] collega’s, dan is het alsof je vader tegen je zegt dat je niet moet roken terwijl hij zelf een sigaret opsteekt.”

Wat deze pleitbezorgers helpt is de stijging van de energieprijzen. Dat betekent dat het energieverbruik laag houden er ook voor zorgt dat de kosten dalen.

Uit het onderzoek van Hughes en haar collega’s van het Instituut voor Onderzoek in Astrofysica en Planetologie in Toulouse bleek dat alle sterrenkundige observatoria die in 2019 actief waren gezamenlijk ongeveer 20 miljoen ton CO₂-equivalent uitstoten tijdens hun levensduur. Dat is vergelijkbaar met de jaarlijkse uitstoot van bijvoorbeeld Estland of Kroatië. Voor deze berekening, die verscheen in Nature Astronomy, keken de onderzoekers naar de CO₂-uitstoot van de bouw en het gebruik van telescopen op aarde en ruimtemissies – waarbij ook de lancering werd meegenomen.

Nauwkeuriger schatting

Om hun inschatting te vereenvoudigen gingen de onderzoekers ervan uit dat de CO₂-uitstoot van de installaties in verhouding staat tot hun kosten of gewicht. Hoe duurder of zwaarder een telescoop, hoe meer CO₂-uitstoot hem aangerekend werd. Dat levert een grove schatting op, erkennen de onderzoekers. Ze kunnen er tot wel 80 procent naast zitten. De uitstoot van de vorig jaar gelanceerde ruimtetelescoop James Webb schatten ze bijvoorbeeld tussen de 310.000 en 1,2 miljoen ton CO₂-equivalent. Voor een nauwkeuriger schatting zouden de onderzoekers veel meer informatie nodig hebben dan openbaar beschikbaar is.

De onderzoekers roepen daarom alle onderzoeksinstellingen en financieringsinstanties op om per project om een gedetailleerde berekening te publiceren van de totale (beoogde) CO₂-voetafdruk, van de bouw tot aan het afbreken van de installatie.

Ondanks de zeer grove schatting laat de berekening volgens de onderzoekers zien dat de jaarlijkse CO₂-uitstoot van sterrenkundige observatoria tot twintig keer lager moet, willen ze voldoen aan de klimaatdoelen.

Onverwachte uitstoot data

Een toekomstig experiment waarvoor een dergelijke uitgebreide CO₂-berekening is uitgevoerd is het Giant Array for Neutrino Detection-project (Grand). Dit experiment zal vanaf de jaren dertig van deze eeuw met 200.000 antennes kosmische deeltjes detecteren.

Drie onderzoekers, onder wie twee Grand-fysici, berekenden de CO₂-voetafdruk van alles wat hierbij komt kijken: van de bouw van het experiment en de software die nodig is voor de data-analyse tot de uitstoot van het transport van de onderdelen, de reizen en de dataopslag.

Ze komen uit op bijna 500 ton CO₂-equivalent per jaar voor de eerste vier jaar, waarin de eerste driehonderd antennes geplaatst worden. De tweede fase van ruim vijf jaar, met tienduizend antennes, is goed voor ruim 1.000 ton CO₂-equivalent per jaar. In de laatste fase, waarin het experiment voltooid wordt, zit het op ruim 13.400 ton CO₂-equivalent per jaar – dat is vergelijkbaar met de productie van duizend auto’s, schrijven de onderzoekers.

Fysici fantaseren alweer over een volgende deeltjesversneller

In alle fases bleek digitale technologie, zoals computers, simulatiesoftware, dataverwerking en dataopslag, verantwoordelijk voor een flink deel van de uitstoot. „Dat hadden we niet verwacht”, mailt natuurkundige Kumiko Kotera van de Universiteit van Parijs. „We denken dat mensen zich bewust zijn van de uitstoot die veroorzaakt wordt door reizen en de productie van de meetapparatuur, maar vergeten dat grote hoeveelheden meetdata die verwerkt en opgeslagen moet worden ook kunnen leiden tot een enorme CO₂-voetafdruk.”

Naar aanleiding van de publicatie van Kotera en haar collega’s is er een ‘groen beleidsplan’ opgesteld voor Grand. Daarin staat bijvoorbeeld dat het reizen tot een minimum beperkt moet worden door zoveel mogelijk werk ter plaatse door lokale samenwerkingspartners te laten uitvoeren. Verder zal de data opgeslagen worden in centra met een zo laag mogelijke CO₂-voetafdruk. Ook komt er een recycleplan voor de meetapparatuur.

Een groene higgsfabriek

De deeltjesversnellerfysici zitten ook niet stil. Ze fantaseren alweer over een volgende, miljarden kostende, energieslurpende deeltjesversneller. Hiermee willen ze aan de lopende band higgsdeeltjes – die in 2012 ontdekt werden – gaan produceren om ze in detail te onderzoeken.

Er liggen verschillende ontwerpen op tafel voor een dergelijke higgsfabriek. Welke je kiest, blijkt nogal wat uit te maken voor de CO₂-voetafdruk van de machine, ontdekten twee deeltjesfysici die in oktober vijf ontwerpen tegen het licht hielden. Twee daarvan zijn, net als de LHC, cirkelvormig: de FCC bij CERN in Genève en de CEPC. De drie andere zijn lineair: de ILC in Japan, CERN’s CLIC en de Amerikaanse C³.

De deeltjesfysici kozen een bijzondere aanpak voor hun vergelijking. Ze berekenden voor elk ontwerp het energieverbruik en de CO₂-voetafdruk per geproduceerd higgsdeeltje. Patrick Janot, deeltjesfysicus bij CERN legt uit: „Dat doen we omdat het vermogen om wetenschap te bedrijven hierbij direct gerelateerd is aan het aantal higgsdeeltjes: hoe meer higgsdeeltjes, hoe beter de wetenschappelijke uitkomst.”

De FCC doet het beter

De circulaire versnellers komen als beste uit de energieverbruikstest omdat ze sneller higgsdeeltjes produceren dan de lineaire versnellers. De FCC staat bovenaan met 3 megawattuur aan elektriciteit per higgsdeeltje. Onderaan staat de C³ met 16 megawattuur – ruim vijf keer meer dan de FCC.

De FCC doet het zelfs nog beter als je de herkomst van de stroom meeneemt. Bij CERN komt 90 procent van de elektriciteit namelijk van CO₂-vrije bronnen, zoals kernenergie. Daardoor is de CO₂-voetafdruk van de FCC slechts een krappe 2 procent van die van de ILC, het minst duurzame alternatief. Dat toont aan dat het het best is om je versneller in een land te bouwen waar de CO₂-uitstoot van de elektriciteitsproductie laag is.

Als het aan Janot ligt wordt de CO₂-voetafdruk een van de belangrijkste beslissingscriteria als het gaat om de keuze, het ontwerp en de optimalisatie van een deeltjesversneller.

Exorbitant veel uitstoot

„Ik denk niet dat het higgsfabrieksontwerp met de kleinste CO₂-voetafdruk per definitie gebouwd zal worden”, zegt deeltjesfysicus Tristan du Pree, van Nikhef en de Universiteit Twente, die betrokken is bij het FCC-ontwerp. „Maar degenen met exorbitant veel CO₂-uitstoot zijn wel uitgesloten. CLIC is naar mijn idee bijvoorbeeld een no-go vanwege het energieverbruik.”

„Deze analyse is een goede manier om het gesprek over de CO₂-voetafdruk van deeltjesversnellers te starten”, zegt deeltjesfysicus Caterina Vernieri, die betrokken is bij het ontwerp van C³. „Maar er zijn meer aspecten, waar de onderzoekers niet naar gekeken hebben, die we moeten meenemen om een betere schatting te maken van de CO₂-voetafdruk.”

De meest duurzame wetenschapper is degene die geen onderzoek doet

Vernieri is het bijvoorbeeld niet helemaal eens met de aanname dat meer higgsdeeltjes dé manier is om tot betere wetenschappelijke uitkomsten te komen. „In lineaire versnellers kun je meer informatie halen uit de higgsdeeltjes die je hebt, ook al maak je er minder. Dat is niet meegenomen in de berekening.”

Bovendien wordt nergens benoemd dat de C³-fysici kijken naar manieren om er bijvoorbeeld een zonnepark naast te bouwen, zodat de machine volledig kan draaien op groene elektriciteit, vertelt Vernieri. „En we werken eraan om veel te automatiseren zodat er weinig mensen bij het experiment hoeven te zijn, wat uitstoot door reizen scheelt.”

Janot en zijn collega namen bij hun schatting de uitstoot die gepaard gaat met het reizen van de betrokken onderzoekers, de bouw, data-analyse, data-opslag en simulaties niet mee. Die keuze verdedigen ze aan het eind van het paper, waar ze laten zien dat deze uitstoot klein is in vergelijking met die van het elektriciteitsverbruik om een versneller te laten draaien. Janot: „Die laatste domineert de totale CO₂-voetafdruk en is dus de belangrijkste factor als je een machine wil optimaliseren.”

Minderen

Wat deze eerste schattingen van de CO₂-voetafdruk van experimenten en observatoria laten zien, is dat het complexe berekeningen zijn als je ze nauwkeurig wilt uitvoeren. Daardoor is het lastig om verschillende ontwerpen goed met elkaar te vergelijken. Maar het is duidelijk dat er iets moet veranderen als natuur- en sterrenkundigen aan de klimaatdoelen willen voldoen.

Een relatief eenvoudige manier om het klimaat te sparen, waar Hughes en haar collega’s voor pleiten, is het tempo verlagen waarin nieuwe sterrenkundige observatoria worden gebouwd. En Vernieri noemt het essentieel om te gaan kijken naar nieuwe technieken voor deeltjesfysica-experimenten. „Want telkens grotere deeltjesversnellers bouwen die met nog hogere energieën werken is niet houdbaar of duurzaam.”

De fysici benadrukken dat het streven naar een steeds kleine CO₂-voetafdruk het onderzoek niet moet lamleggen. De meest duurzame wetenschapper is immers degene die geen onderzoek doet. Du Pree. „Ik hoop wel dat er nog een deeltjesversneller gebouwd gaat worden in de nabije toekomst.”