LHC隧道內一隅。
這個秋天，荷蘭射電天文學研究所（Netherlands Institute for Radio Astronomy，ASTRON）面臨着科學之外的挑戰。該機構運行的低頻陣列射電望遠鏡（Low-Frequency Array, LOFAR）能夠觀測宇宙中光學儀器無法看到的現象，是 LOFAR國際團隊的中心站點，曾發現過數十萬個從未被觀測到的星系。這個天文學設施依賴大型計算機集群處理觀測數據，每年要消耗2000兆瓦時（MWH）的電，相當於800戶家庭的能耗。
然而，ASTRON前段日子準備更新下一年的能源採購合同時，卻發現可能要付不起過冬的電費了——能源開支飆升到了上一年的3倍。如果無法說服國家提供一筆緊急補貼，他們就只能削減天文台的運行時間了。
歐洲的能源危機不僅影響生活用電，高能耗的超級計算機、粒子加速器和激光同步加速器等大型科學設施也面臨衝擊。能耗規模是ASTRON數百倍的歐洲核子研究組織（CERN）已經採取了更直接的措施：提前關停。
根據CERN不久前發佈的公告，這個世界上最大的物理實驗室在收到主要供電公司減輕電網負擔的請求後，決定縮短2022年和2023年的運行時間。今年，CERN的大對撞機和加速器將提前2周，在11月28日進入技術性關停，次年2月恢復；明年，運行時間將再削減20%，這意味着2023年 CERN的粒子對撞實驗在11月中旬就要結束了。
耗電巨頭如何節能
坐落在法國和瑞士邊境的 CERN建造成本達到92億美元（約合人民幣665億元），年耗電量堪比小型城市。官網稱其一年可消耗1.3太瓦時（TWH）的電，相當於瑞士日內瓦年耗電量的三分之一，可以支持30萬個英國家庭的生活。該機構的核心裝置、27公里長的大型強子對撞機（LHC）燒掉了 CERN90%的電費，而這又要歸功於 LHC的組成部分之一——功率高達27兆瓦的液氦低溫系統（liquid-helium cryogenic system）。它服務於環形加速裝置中用來偏轉高能粒子的超導磁體，後者由特殊的 Ni-Ti導線組成，在接近絕對零度的環境下，這種材料能以比普通銅導線高100倍的效率傳導電流，以最小的能量損失形成足夠強大的磁場，從而控制 LHC中粒子的方向。
LHC最近一次關停時對其超導磁體的改造。圖片來源：CERN
1954年 CERN剛成立時，主要依靠瑞士提供電力。20世紀70年代起，CERN轉接進了法國電網，自此一直依靠法國。幸運的是，法國先進的核電技術令該國三分之二的電力擺脫了傳統化石能源的束縛，這令該國在此次因為天然氣短缺而導致的能源危機中受影響較小。不幸的是，法國家庭的取暖習慣與依賴天然氣的其他歐洲國家不同：他們更習慣使用電加熱器，因此每到寒冷季節，用電價格就會翻倍。據悉，該國56座核反應堆中有32座正在停機維護，法國政府準備在冬天到來之前重啟其中的大部分來加強電力供應。
法國三分之二的發電來自核能。圖片來源：https://www.rte-france.com/en/eco2mix/power-generation-energy-source
實際上，CERN已經提前向法國購買了未來數年的電能，但比起電價，他們更擔心的是這個冬天法國能否供應得起。此外，LHC的用電高峰期是每年的5~12月中旬，停機維護時間則被安排在冬季，這次提前到11月底的關停，讓高能耗的 CERN錯開了法國電網負擔最重的時候。但是關停並不意味着完全不耗電，加速器的超導磁體需要一直處於低溫狀態，因此它的液氦冷卻系統仍然會消耗一部分能源。CERN還決定在夜間關閉園區照明，並將建築物供暖時間推遲一周，儘可能地節省這個冬天的能源消耗。
今年4月，LHC完成了為期三年多的第二輪升級，在萬眾矚目下開始了第三輪運行，其總電力成本預計為8850萬瑞士法郎（約合人民幣6.4億元）。縮短運行時間的決定，顯然能在電費上漲的當下省一筆錢，但 CERN認為他們做出這一決定是為了承擔起社會責任，節省下的寶貴能源能讓更多人取暖。
提前購電≠萬無一失
和 CERN一樣提前預購了能源訂單的還有德國的電子同步加速器（DESY），但他們面臨着一個更尷尬的局面。這家德國最大的加速器中心提前買了3年的電，可以覆蓋2023年能耗的80%，2024年能耗的60%，2025年能耗的40%。現在，他們本應填上明年那20%的缺口，卻發現電價已經漲到了負擔不起的水平。
目前，擁有3000多名用戶的 DESY正在與德國政府談判，希望獲得額外資金來維持未來的運行，減少對科學進程的損害。新冠疫情期間，德國生物技術公司 BioNTech利用 DESY的 X射線激光裝置解析了新冠病毒的結構，並探明了其刺突蛋白結合人類細胞的機制。還有許多科學家依靠該機構的加速器研究太陽能電池所需要的新材料。這些都是社會急需的技術成果。
如果這條路走不通，DESY將不得不在低功率下運行全球最大的 X射線激光器和 PETRA III同步加速器等設備，他們將在本周內進行測試，確定這樣操作是否會影響實驗結果。最壞的情況下，DESY不排除像 CERN一樣延長冬季關停時間的可能。
前車之鑑
英國牛津能源研究所（Oxford Institute for Energy Studies）的天然氣學者 JonathanStern在接受《科學》（Science）的採訪時指出，這次打擊整個歐洲的能源危機，主要原因有二。首先，新冠疫情大流行初期飽受打擊的世界經濟開始在多個地方復甦，但此前關閉的能源設施無法及時滿足迅速增加的新需求。其次，今年2月俄烏衝突導致的天然氣供應緊張，極大影響了歐洲地區的發電和供暖，並將歐洲大陸天然氣價格推升至歷史均值的10多倍。
實際上，早在俄烏衝突前，歐洲就已經有過大科學設施因能源危機而停擺的前車之鑑了。今年1月，捷克的能源承包商 Lumius宣佈破產，該國許多大學和研究機構只能以更高的價格從地方供應商購買能源。捷克最強大的超級計算機 Karolina被迫以三分之一的容量運行，耽誤了1500多名用戶的氣候建模和藥物發現研究。位於布拉格的歐洲超強激光項目 ELI Beamlines則被迫關停了數周。
今年5月，捷克政府同意幫助這兩個大型科學機構，維持運行到2023年底。在此之後，它們的命運仍不可知。ELI Beamlines的副主任擔心這個冬天可能頒佈的限電措施，會令激光設施再次關閉數月，這甚至會導致研究者在未來一年多的時間裏都無法預約和使用。
影響幾何
大型科學設施如果徹底關停，重新啟動會是一件很有難度的事情。真空抽吸裝置關閉後可能會損壞脆弱精密的系統，冷卻系統的循環停止後其中的積水可能會導致腐蝕，而那些老舊的電子器件一旦關閉甚至可能再也打不開了。
Stern預測，目前高昂的能源價格至少需要2年才能回落至正常水平。同時，今年冬天的電費峰值將取決於氣溫的寒冷程度，以及亞洲國家在液化天然氣市場上的競價情況。他認為，現在還無法確定各國是出手維持科研機構的運營，還是優先考慮補貼工業界，但那些大學裏的小型實驗室恐怕要靠自己度過這次難關了。
也有機構表示短期內不會受到太大的影響。倫敦帝國理工學院（Imperial College London）發言人對《自然》（Nature）表示，校方對「應對挑戰的韌性和能力充滿信心」。包括英國鑽石光源（Diamond Light Source）在內的幾個大科學設施的管理層也指出，為了履行淨零排放承諾，他們多年前就一直在制定減能計劃了。
對於那些原本計劃在12月上旬使用 LHC或其他 CERN加速器的科學家來說，他們的實驗只能推遲到明年2月 LHC恢復運行以後。2023年的使用競爭也將更加激烈。要知道，全世界的物理學家都期待着3.0版本的 LHC能幫我們找到此前未被發現的奇異粒子，重現希格斯玻色子時代的榮光。但即使 CERN的加速器不運行，世界各地的粒子物理學家也完全不擔心沒有事做：分析 LHC產生的海量數據遠非一日之功，學者們能在十年前產生的數據中發現隱藏的亞原子偽影，粒子物理學的流動不太可能因為一次能源危機而停止。
但能源成本仍是一把懸在歐洲科學界上方的達摩克利斯之劍。對於荷蘭射電天文學研究所的領導層而言，他們應該更想把目光集中在宇宙星空，而不是一張張電費賬單吧。
