Gases for Life
TECHNIK
Stickstoff und Helium für Spitzenforschung
Von Marcos Torcal und Marion Riedel, Messer Ibérica de Gases
Synchrotronlicht ermöglicht es, kleinste Details der Materie auf atomarer und molekularer Ebene zu entdecken und ebnet den Weg für wissenschaftliche Fortschritte, unter anderem in der Biomedizin, der Materialkunde und der Archäologie. Die wissenschaftliche Einrichtung ALBA Sincrotrón nutzt die Heliumkühlung in mehreren Geräten.
Gases for Life
TECHNIK
Stickstoff und Helium für Spitzenforschung
Von Marcos Torcal und Marion Riedel, Messer Ibérica de Gases
Synchrotronlicht ermöglicht es, kleinste Details der Materie auf atomarer und molekularer Ebene zu entdecken und ebnet den Weg für wissenschaftliche Fortschritte, unter anderem in der Biomedizin, der Materialkunde und der Archäologie. Die wissenschaftliche Einrichtung Sincrotrón ALBA nutzt die Heliumkühlung in mehreren Geräten.
Wissenschaftler aus Salamanca und Amsterdam haben herausgefunden, wie die Moleküle an der Grenze zwischen Ober- und Unterhaut des Menschen miteinander verbunden sind. Eine Forschungsgruppe aus Barcelona und der belgischen Universität KU Leuven hat einen großen Schritt zu einem neuen Material für effizientere Solarzellen gemacht. Darüber hinaus konnte die chemische Zusammensetzung menschlicher Knochen aus dem Mittelalter, die in einer Kirche in Herzegowina gefunden wurden, zerstörungsfrei und sehr detailliert untersucht werden.
Luftaufnahme des Komplexes ALBA Sincrotrón
Millionenfach heller als die Sonne
Alle genannten Experimente – und die Reihe der Projekte ließe sich sehr lang fortsetzen – wurden dank des Synchrotronlichts aus dem Elektronenbeschleuniger-Komplex von ALBA Sincrotrón in Cerdanyola del Vallès bei Barcelona, der einzigen Synchroton-Lichtquelle in Spanien, durchgeführt. Diese wissenschaftliche Einrichtung betreibt acht Labore, die es ermöglichen, sehr unterschiedliche wissenschaftliche Bereiche und Probleme zu untersuchen. Das Spektrum reicht von Infrarot- bis zu hochenergetischen Röntgenstrahlen. Einer der größten Vorteile ist die extreme Helligkeit des Synchrotronlichts, das millionenfach heller als die Sonnenoberfläche ist. Solche Intensität erlaubt eine extrem hohe Auflösung und ermöglicht das Beobachten sehr kurzlebiger Phänomene wie zum Beispiel den Ablauf chemischer Reaktionen.
ALBA Sincrotrón ist die komplexeste wissenschaftliche Anlage in Spanien. Unter den verschiedenen für ihren Betrieb notwendigen Elementen zeichnen sich die supraleitenden Magnete aus, die in einer ihrer Lichtlinien (BOREAS, zur Untersuchung der magnetischen Eigenschaften von Materialien) und in einer der Einlegevorrichtungen für Speicherringe verwendet werden. Diese Magnete müssen für den ordnungsgemäßen Betrieb mit flüssigem, fast minus 270 Grad kaltem, Helium gekühlt werden.
Obwohl Helium das zweithäufigste Element im Universum ist, sind die irdischen Reserven begrenzt. Seine Gewinnung – hauptsächlich aus bestimmten Erdgasfeldern – ist aufwendig und teuer.
Energie sparen durch Heliumrecycling
Da das Gas bei der Kühlung der Magneten teilweise verdampft, hat ALBA, in Zusammenarbeit mit dem Katalanischen Institut für Nanowissenschaft und Nanotechnologie (ICN2) eine Anlage in Betrieb genommen, um das gasförmige Helium wieder zu verflüssigen. Bis zu 80 Prozent des Gases können so zurückgewonnen werden. Das senkt sowohl die Betriebskosten als auch die Umweltbelastung erheblich. Die Heliumrückgewinnungsanlage von ALBA hat eine Recyclingkapazität von 25.000 Litern Flüssighelium pro Jahr.
Die Verflüssigung dieses Elements stellt jedoch aufgrund der Eigenschaften des Heliums eine besondere Herausforderung dar: Erst unterhalb von minus 233 Grad Celsius kühlt es bei Atmosphärendruck wie andere Gase während der Expansion ab. Daher muss Helium unter diese Temperatur vorgekühlt werden, ehe es mit Hilfe der üblichen Zyklen aus Kompression und Expansion verflüssigt werden kann. Für die Vorkühlung wird tiefkalter flüssiger Stickstoff verwendet.
2019 löste Messer nach Gewinn einer Ausschreibung den vorherigen Gaselieferanten ab. Da die Synchrotrone rund um die Uhr in Betrieb sind, durfte es beim Übergang keine Unterbrechung der Versorgung geben. Während der Installation des neuen Kryotanks für den Stickstoff wurde eine temporäre Versorgung installiert, zu dem unter anderem ein Kryobehälter mit einem Fassungsvermögen von 16 Tonnen, ein Kryoschlauch und die benötigten Spezialventile gehörten. Der Tankwechsel wurde wie geplant abgeschlossen und die Wissenschaftler konnten ihre Experimente ohne Unterbrechung fortführen.