Mit weniger Energie schneller kühlen: Wissenschaftler modifizieren herkömmlichen Laborkühlschrank

Drastische Reduzierung des Zeit- und Energieaufwands für das Abkühlen von Materialien auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt

25.04.2024

Durch die Modifizierung eines in Forschung und Industrie gebräuchlichen Kühlschranks haben Forscher des National Institute of Standards and Technology (NIST) den Zeit- und Energieaufwand für die Kühlung von Materialien auf wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt drastisch reduziert. Die Wissenschaftler sagen, dass ihr Prototyp, an dessen Kommerzialisierung sie jetzt mit einem Industriepartner arbeiten, jährlich schätzungsweise 27 Millionen Watt Leistung, 30 Millionen Dollar an weltweitem Stromverbrauch und genug Kühlwasser zum Füllen von 5.000 olympischen Schwimmbecken einsparen könnte.

Von der Stabilisierung von Qubits (der grundlegenden Informationseinheit in einem Quantencomputer) über die Aufrechterhaltung der supraleitenden Eigenschaften von Materialien bis hin zur Kühlung des James Webb Space Telescope der NASA für die Himmelsbeobachtung - ultrakalte Kühlung ist für den Betrieb vieler Geräte und Sensoren unerlässlich. Seit Jahrzehnten ist der Pulsröhrenkühler (PTR) das Arbeitspferd, um Temperaturen zu erreichen, die so kalt sind wie das Vakuum im Weltraum.

Diese Kühlschränke komprimieren (erwärmen) und expandieren (kühlen) zyklisch Heliumgas unter hohem Druck, um den "Big Chill" zu erreichen, weitgehend analog zu der Art und Weise, wie ein Haushaltskühlschrank die Umwandlung von Freon von Flüssigkeit in Dampf nutzt, um Wärme zu entfernen. Seit mehr als 40 Jahren hat der PTR seine Zuverlässigkeit bewiesen, aber er ist auch ein Stromfresser, der mehr Strom verbraucht als jede andere Komponente eines Ultratieftemperatur-Experiments.

Als der NIST-Forscher Ryan Snodgrass und seine Kollegen den Kühlschrank genauer unter die Lupe nahmen, stellten sie fest, dass die Hersteller das Gerät so konstruiert hatten, dass es nur bei seiner endgültigen Betriebstemperatur von 4 Kelvin (K), also 4 Grad über dem absoluten Nullpunkt, energieeffizient ist. Das Team stellte fest, dass diese Kühlschränke bei höheren Temperaturen extrem ineffizient sind - ein großes Problem, da der Abkühlungsprozess bei Raumtemperatur beginnt.

Während einer Reihe von Experimenten entdeckte Snodgrass zusammen mit den NIST-Wissenschaftlern Joel Ullom, Vincent Kotsubo und Scott Backhaus, dass das Heliumgas bei Raumtemperatur unter einem so hohen Druck stand, dass ein Teil davon durch ein Überdruckventil abgeleitet wurde, anstatt zur Kühlung verwendet zu werden. Durch eine Änderung der mechanischen Verbindungen zwischen dem Kompressor und der Kältemaschine stellte das Team sicher, dass kein Helium verschwendet wurde, was die Effizienz der Kältemaschine erheblich verbesserte.

Insbesondere stellten die Forscher kontinuierlich eine Reihe von Ventilen ein, die die Menge des vom Kompressor in den Kühlschrank strömenden Heliumgases steuern. Die Wissenschaftler fanden heraus, dass sie die Abkühlzeit auf die Hälfte bis ein Viertel der jetzigen Zeit reduzieren konnten, wenn sie die Ventile bei Raumtemperatur weiter öffneten und sie dann bei fortschreitender Abkühlung allmählich schlossen. Derzeit müssen die Wissenschaftler einen Tag oder länger warten, bis neue Quantenschaltungen kalt genug sind, um sie zu testen. Da der Fortschritt der wissenschaftlichen Forschung durch die Zeit, die benötigt wird, um kryogene Temperaturen zu erreichen, begrenzt werden kann, könnte die schnellere Abkühlung, die diese Technologie ermöglicht, weitreichende Auswirkungen auf viele Bereiche haben, einschließlich Quantencomputing und andere Bereiche der Quantenforschung. Die vom NIST-Team entwickelte Technologie könnte es Wissenschaftlern auch ermöglichen, große Pulsröhrenkühlschränke durch viel kleinere zu ersetzen, die weniger unterstützende Infrastruktur benötigen, so Snodgrass.

Der Bedarf an diesen Kühlschränken wird stark zunehmen, da die Forschung auf dem Gebiet des Quantencomputings und ihre Abhängigkeit von der Kryotechnik weiter zunimmt. Der modifizierte PTR würde dann viel mehr Geld, elektrische Energie und Kühlwasser einsparen. Das Gerät würde nicht nur die aufkeimende Quantenwirtschaft unterstützen, sondern auch die Forschung beschleunigen, da die Wissenschaftler nicht mehr Tage oder Wochen auf die Abkühlung von Qubits und anderen Quantenkomponenten warten müssten.

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Originalveröffentlichung

Snodgrass, R., Kotsubo, V., Backhaus, S. et al. Dynamic acoustic optimization of pulse tube refrigerators for rapid cooldown. Nat Commun 15, 3386 (2024)

https://www.chemie.de/news/1183296/mit-weniger-energie-schneller-kuehlen-wissenschaftler-modifizieren-herkoemmlichen-laborkuehlschrank.html

Originalveröffentlichung

Snodgrass, R., Kotsubo, V., Backhaus, S. et al. Dynamic acoustic optimization of pulse tube refrigerators for rapid cooldown. Nat Commun 15, 3386 (2024)

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