Het consortium bouwt als eerste een hoogvermogenkoeler (ook wel sorptie gebaseerde Joule-Thomson koelers genoemd), die (nagenoeg) trillingsvrij werkt in een volledig gesloten systeem én compatibel is met de UHV-omgeving (ultrahoogvacuüm) van ET. Deze ontwikkeling geldt als een wereldprimeur op het gebied van cryocoolertechnologie voor extreem lage temperaturen. Door alle subsystemen via zorgvuldig ontworpen interfaces met elkaar te verbinden, is een betrouwbare oplossing voor de cryocooler-uitdaging gerealiseerd. Een belangrijke doorbraak voor het koelen van de extreem gevoelige meetapparatuur van de toekomst.
Trillingsvrij koelen voor ET
De Einstein Telescope gaat zwaartekrachtgolven meten die worden veroorzaakt door gigantische kosmische klappen diep in het vroege heelal. Vanwege de astronomische afstanden komen ze bij de aarde aan als minuscule rimpelingen. Die kunnen alleen bij extreem lage temperaturen en in volstrekte ‘stilte’ worden gemeten. De gebruikelijke koeling verstoort die stilte; denk aan de rammelende compressor van een koelkast. Trillingsvrij koelen is daarom een van de grote uitdagingen voor dit consortium dat werkt aan een oplossing op basis van sorptiekoeling, in samenwerking met onderzoekspartner Universiteit Twente en bij ETpathfinder. Dit is het Einstein Telescope-lab van Universiteit Maastricht, op initiatief van Nikhef, waar validatie en integratie van de technologie voor ET plaatsvindt.
Sorptiekoeling van micro naar macro
Koeling is een cyclisch proces waarbij een koelmedium, zoals een gas, warmte onttrekt aan de te koelen plek en elders afvoert. Om de koelcyclus in een gesloten systeem op gang te houden, is compressie van het gas nodig. Bestaande compressoren hebben bewegende delen die worden aangedreven door een motor. Dat veroorzaakt trillingen, en die zijn bij ET volstrekt uit den boze. Sorptiekoeling werkt met adsorptie en desorptie van het gas door actieve kool. Tijdens de compressiestap wordt het geadsorbeerde gas op
Sinds 1995 doet de Universiteit Twente onderzoek naar sorptiekoeling, waaruit meerdere spin-offs zijn voortgekomen. Een daarvan is Demcon kryoz, dat op basis van dit principe cryogene Joule-Thomson microkoelers ontwikkelt voor uiteenlopende toepassingen, van microscopen tot communicatiesatellieten. Zo raakte het bedrijf betrokken bij ET en werd het penvoerder van het consortium Zero-vibration Sorption Cryocooler.
Uitdagende vragen zorgen voor upgrades met veelzijdige impact"
Bij Demcon zijn we gewend R&D uit te voeren voor partijen die met 'complexe vragen' bij ons komen; dat vinden wij mooie uitdagingen," vertelt projectmanager Adrie Visser. "Bij een big-scienceproject als ET zijn die uitdagingen nog groter; denk aan de extreem lage trillingsniveaus en temperatuurvereisten. De eisen liggen hier op een uitzonderlijk hoog wetenschappelijk niveau. Daaraan mogen werken geeft ons als bedrijf de drive om ons steeds verder te verbeteren. Een concreet voorbeeld zijn de LEM-toolboxen die we inzetten bij projecten (LEM, een specialisme van Demcon kryoz, is lumped-element modellering voor het doorrekenen van complexe installaties, red.). Voor analyses en simulaties gebruiken we modellen die sinds 1995 aan de Universiteit Twente worden ontwikkeld. Voor ET moest het model aan zulke hoge eisen voldoen dat we onze toolboxen verder hebben uitgebouwd. Het bijzondere is dat we in één model een compleet systeem dynamisch kunnen simuleren."
Klaar voor integratie in lab omgevingen
Het consortium ging aan de slag met de opschaling van de sorptiekoeltechnologie, waarbij al meerdere mijlpalen zijn bereikt, vertelt Romaine Kunst, thermal system engineer bij Demcon kryoz. "Onze eerste mijlpaal was het designrapport uit de conceptfase, dat vorig jaar goed werd ontvangen door ETpathfinder."
Inmiddels wordt volop gewerkt aan de belangrijkste component van het koelsysteem: de sorptiecompressor, vertelt Visser. "Nu (half juli, red.) assembleren we samen met de Universiteit Twente, Demcon en Nikhef de eerste systemen. We verwachten deze zomer één systeem volledig te integreren in het Hoge Druk Lab van de Universiteit Twente. Bij positieve resultaten gaan we parallel in de cleanroom in Maastricht aan de slag. Eind dit jaar verwachten we het eerste volledige systeem voor ETpathfinder gereed te hebben."
Testen in Twente, integreren in Maastricht
Er wordt eerst een sorptiekoeler opgebouwd in Twente. Kunst: "In Maastricht staat alles in een cleanroom, een schone omgeving die nodig is voor het UHV (ultrahoog vacuüm) waarin ET gaat werken. Voor onze testrondes aan de Universiteit Twente zijn de omgevingseisen lager. Dat geeft meer ruimte om in het lab te experimenteren. Met aanvullende sensoren valideren we de trillingseis: hoe trillingsvrij is onze koeler en voldoet die aan de belangrijkste systeemeis dat de cryocooler de achtergrondruis (in Maastricht gemeten op 32 nanometer peak-to-peak, red.) niet mag overstijgen? Als de metingen in Twente succesvol zijn afgerond, kan in Maastricht de integratie van de sorptiekoeler in de ET-testopstelling beginnen."
Partners voor kool, koeling en kennis
Het voorspoedige verloop van het project is mede te danken aan de goede samenwerking tussen de consortiumpartners. Zo leverde Cooll, eveneens een spin-off van de Universiteit Twente, begin dit jaar de sorptiecompressorcellen, gevuld met actieve kool pillen voor de adsorptie van koelgas. Kunst: "Zij zijn de enige ter wereld die deze koolpillen met zo'n groot intern oppervlak kunnen maken, waardoor ze zeer efficiënt zijn. Voor de speciale cryogene toepassing binnen de Einstein Telescope hebben ze veel werk gestoken in het optimaliseren van het ontwerp en het uitvoeren van levensduurtesten. Zo weten we zeker dat de koolpillen tien jaar meegaan. Voor hen was dit een intensief R&D-traject, dat kennis heeft opgeleverd die ook bij andere klanten toepasbaar is."
Voor ET maken de sorptiekoelers deel uit van een efficiënt drietrapskoelproces dat begint bij de temperatuur van vloeibaar stikstof. Daarnaast is er een 'kickstarter'-systeem dat de voorkoeling verzorgt voordat de sorptiekoeler het overneemt. Daarvoor leverde Stirling Cryogenics speciale cryogene pompen, de CryoFans, terwijl Demaco de complete stikstofinfrastructuur aanlegde in de faciliteiten van de universiteiten van Twente en Maastricht. Ook werd specialistische kennis ingebracht door partners als Astron, het Nederlands instituut voor radioastronomie, onder meer over zwarte warmte-absorberende coatings.
Inspirerend en verbindend voor cryogene netwerk Nederland
In heel Nederland zijn leveranciers geïnspireerd geraakt door dit grensverleggende project, vertelt Visser. "We waren bijvoorbeeld op zoek naar componenten die zowel UHV- als cryogeencompatibel zijn. Dat is een vrij unieke combinatie, waardoor we met verschillende partijen in gesprek gingen. Zo twijfelde een leverancier of zijn UHV-componenten ook cryogeencompatibel waren. Daarom hebben we hun in contact gebracht met de Universiteit Twente om ze te laten testen."
Kunst vult aan: "Een leverancier van de heaters voor de sorptiecompressors adviseerde een lager vermogen dan wij nodig hadden. We hebben daarom zelf berekeningen uitgevoerd om zeker te weten dat we met het hogere vermogen konden werken. Vooral tijdens de detailontwerpfase was het een uitdaging om leveranciers te vinden die aan alle eisen konden voldoen. Uiteindelijk heeft dit project het Nederlandse cryogene netwerk niet alleen technisch, maar ook inhoudelijk en qua samenwerking verder gebracht."
Specialist in systems engineering
Een belangrijke partner is Nikhef, vervolgt Kunst. "Zij zijn de eindgebruiker van ons systeem en samen met Universiteit Maastricht de kartrekker van het ETpathfinder-lab. Ons systeem heeft 21 interfaces met de andere systemen in het lab. Daarom was er veel afstemming met Nikhef om die goed op elkaar aan te laten sluiten."
Hierin ligt volgens Visser de verklaring waarom Demcon kryoz, als relatief klein bedrijf met de backing van moederbedrijf Demcon, een verbindende rol kan spelen binnen een consortium met partners als Nikhef en de Universiteit Twente. "Dat lukt als je de juiste competenties bij de juiste partijen belegt. Nikhef beschikt over een eigen lab en veel specialistische kennis op gebieden waarop wij relatief nieuw zijn, en hetzelfde geldt voor de Universiteit Twente. Wij houden het overzicht, bewaken dat alle interfaces zowel functioneel als fysiek op elkaar aansluiten en zorgen er als projectmanager voor dat alle partijen goed samenwerken."
Dromen over nieuwe toepassingen
Het eindresultaat is een uniek koelsysteem, aldus Kunst. “Hiermee maken wij een grote verbeterslag ten opzichte van de bestaande koeltechnieken.” Die verbeterslag kan ook interessant zijn voor telescopen waar nu nog mechanisch bewegende compressoren voor koeling van optica zorgen, ten nadele van de beeldresolutie. “Voor mij persoonlijk is het een droom om onze technologie door te ontwikkelen. Ruimtevaart en astronomie zijn nu belangrijke toepassingsgebieden, maar er zijn ook zoveel andere
Voor quantumcomputers is de trillingseis ook relevant, bij nog lagere temperaturen. Verder heeft ons systeem als voordeel dat het gesloten is; vaak wordt nog gekoeld met stikstof die van buiten worden aangevoerd.” Van Dorssen: “Interessant voor de bouwafmetingen, is de compactheid van sorptiekoelers. Dat speelt in deze sectoren een steeds grotere rol, er komt meer vraag naar robuustere en kleinere koelers.” Dat merkt Visser ook. “Er zijn de nodige partijen geïnteresseerd in wat wij bij de Einstein Telescope doen; zij blijven graag op de hoogte. Niet alleen bij Demcon kryoz dromen we van nieuwe toepassingen.”
Valorisatie van unieke sorptiekoeltechniek
Zo biedt de grensverleggende sorptiekoeltechniek tal van kansen voor valorisatie in nieuwe wetenschappelijke en industriële toepassingen. De consortiumleden komen daarvoor graag in contact met geïnteresseerden, die zich kunnen melden bij Albert van Dorssen, business developer bij het team Valorisatie Einstein Telescope: Team valorisatie :: Einstein Telescope for businesspe: