Trillingsvrije koeling voor ongestoord meten van zwaartekrachtgolven

Een consortium van Demcon kryoz, Cooll en Universiteit Twente, gaat een koelsysteem ontwikkelen voor de Einstein Telescope. Trillingsvrij koelen tot zeer lage temperaturen is nodig om de zeer zwakke signalen uit het heelal te kunnen detecteren.

De Einstein Telescope is een enorm observatorium dat gaat meten aan zwaartekrachtgolven. Het wordt mogelijk gehuisvest onder het heuvellandschap van het Nederlands-Belgisch-Duitse grensgebied.

De drie partijen gaan hun fundamentele kennis en industriële expertise op het gebied van trillingsvrij koelen inzetten om de metingen nauwkeuriger te maken. Het consortium ontvangt over een periode van drie jaar 2,6 miljoen euro uit de R&D-regeling voor de Einstein Telescope, gefinancierd door het Nationaal Groeifonds.

De Einstein Telescope moet onderdeel worden van de grote Europese onderzoeksinfrastructuur. Er zijn nu twee concurrerende initiatieven voor een ondergrondse locatie. Naast Sardinië (It) is dat het grensgebied van Nederland, België en Duitsland. Dat is geschikt voor een ondergronds observatorium omdat de zachte bovengrond trillingen door menselijke activiteit aan het oppervlak tegenhoudt, zodat de metingen niet worden verstoord. In 2025/2026 wordt besloten waar de Einstein Telescope komt en rond 2030 moet de bouw starten. Een aantal universiteiten en wetenschappelijke instellingen uit Nederland, België en Duitsland werkt nu aan een gezamenlijke kandidatuur.

Meten van zwaartekrachtgolven

De waarnemingen van zwaartekrachtgolven door bestaande observatoria en de nieuwe Einstein Telescope vinden plaats met laserstralen. Die worden in twee richtingen lange gangen ingestuurd en aan de uiteinden teruggekaatst door spiegels; bij het beginpunt worden ze opgevangen door een detector. Het meetsignaal hangt af van het verschil in de afgelegde weg van de twee laserstralen. Een passerende zwaartekrachtgolf heeft invloed op dat weglengteverschil en dus op het meetsignaal. Wetenschappers halen daar informatie uit over de gebeurtenis die verantwoordelijk was voor de betreffende zwaartekrachtgolf.

Nieuwe technologieën

Om de Einstein Telescope tien keer nauwkeuriger te maken dan de bestaande observatoria zijn nieuwe technologieën nodig. Die worden onder meer ontwikkeld in het R&D-lab ETpathfinder in Maastricht, dat drie jaar geleden werd geopend. Voor de financiering van het onderzoek is de R&D-regeling als onderdeel van het ET valorisatieprogramma in het leven geroepen met een financiële bijdrage uit het Nationaal Groeifonds. De regeling telt vijf calls; de eerste was voor trillingsvrij koelen.

Twents onderzoek aan trillingsvrij koelen

Aan de UT vindt al twintig jaar onderzoek plaats aan trillingsvrij koelen op basis van een sorptietechnologie die werkt met actieve kool. Dat gebeurt in de vakgroep Energy, Materials & Systems (EMS) onder leiding van professor Marcel ter Brake. Demcon kryoz uit Enschede heeft op basis van het koelprincipe een prototype cryogene microkoeler uit de vakgroep doorontwikkeld tot een product. Cooll uit Hengelo (Ov) werkt juist aan het omgekeerde proces, verwarming op basis van dezelfde technologie. Het bedrijf heeft daarnaast een fabriek ingericht voor de productie van de actieve kool. Zo bestrijken de drie Twentse partijen de complete keten voor trillingsvrij koelen: fundamenteel onderzoek, apparatuur- en procesontwikkeling en productie van het compressormateriaal.

Drietrapskoelsysteem

Voor de Einstein Telescope hebben de drie vorig jaar de handen ineengeslagen toen de call van de R&D-regeling werd opengesteld. Vorige maand werd bekend dat hun voorstel is gehonoreerd. Het Twentse consortium ontvangt voor een periode van drie jaar een bedrag van 2,6 miljoen euro om de technologie geschikt te maken voor de Einstein Telescope. Ze gaan daarvoor een drietrapskoelsysteem ontwikkelen, dat werkt met drie verschillende koelmiddelen, neon, waterstof en helium. Het koelproces start op –203 °C (70 Kelvin), de temperatuur die wordt bereikt met de vloeibare stikstof. Twee tussenstappen zijn nodig om de laatste, lastigste stap naar –263 °C (10 Kelvin) te bereiken: het koudste punt in het koelsysteem. Uiteindelijk gaan ze drie exemplaren van het koelsysteem bouwen, één voor onderzoek aan de UT in Enschede en twee voor de ETpathfinder in Maastricht.

Opschaling

Pieter Lerou, managing director van Demcon kryoz, was eindverantwoordelijke voor het voorstel: “Het principe voor trillingsvrij koelen is bekend en wij hebben het werkend gemaakt op industriële schaal. Maar dat was met een microkoeler, terwijl de koelers voor de Einstein Telescope met een immense compressor en een veel hoger vermogen werken. Voor deze opschaling is nog veel fundamenteel onderzoek nodig. We gebruiken daarvoor onze kennis van cryogene technologie en onze ervaring met het ontwerpen, modelleren en bouwen van hightech koelsystemen. Daarnaast brengen wij onze expertise van systems engineering in.”

Universiteit Twente (UT)

“Voor de UT, en de vakgroep EMS in het bijzonder, is dit een fantastisch project”, vindt universitair docent Michiel van Limbeek. “We richten ons in onze projecten op de ontwikkeling van technologie voor concrete toepassingen. Voor ons liggen die vaak op het vlak van de energie en duurzaamheid, maar ook op het vlak van Big Science met projecten voor CERN, ESA en heel concreet ook voor de Einstein Telescope. Een ambitieus project waarin technologie waar we al lange tijd aan gewerkt hebben nu daadwerkelijk toegepast gaat worden. Het brengt de technologie weer een stap verder richting bredere toepassingen in de markt waar gevraagd wordt om trillingsvrij koelen.”

Hoogwaardige actieve kool

Johannes Burger, oprichter van Cooll: “Voor woningverwarming heeft Cooll een thermisch aangedreven warmtepomp ontwikkeld die werkt met hoogwaardige actieve kool. Deze technologie zorgt, vergeleken met een HR-ketel, voor een besparing van 30-40% op het (groen) gasverbruik van woningen. Onze technologie is een directe spin-off van de ontwikkeling van trillingsvrije cryogene sorptiekoelers aan de UT; twintig jaar geleden stonden we zelf mede aan de basis hiervan. De ontdekking van een actieve koolsoort met zeer hoogwaardige eigenschappen maakte beide toepassingen mogelijk. Cooll heeft dit materiaal de afgelopen jaren samen met een Amerikaanse partner doorontwikkeld voor gebruik in onze warmtepomptechnologie en geschikt gemaakt voor productie. We zijn blij dat we als nieuwe spin-off van onze ontwikkeling de eenheidscellen voor de trillingsvrije compressor mogen leveren. Daarmee is de cirkel rond. Ook stellen we graag onze kennis van de compressortechnologie beschikbaar voor het project.”

Man-op-de-maanproject

Lerou: “Met dit uitdagende man-op-de-maanproject bouwen wij voort op de cryogene geschiedenis van ons land. Die begon bij de Leidse hoogleraar Heike Kamerlingh Onnes, die in 1908 helium vloeibaar wist te maken en daarvoor in 1913 de Nobelprijs ontving. Hij legde de basis voor een bloeiende cryogene industrie in ons land. Meerdere Nederlandse bedrijven, waaronder Cryoworld en Stirling Cryogenics, zijn als associate partners aan het project verbonden. Ons onderzoek gaat helpen bij de ontwikkeling en realisatie van trillingsvrije cryogene koelsystemen voor andere hoogtechnologische toepassingen, zoals elektronenmicroscopie en ruimtevaartinstrumentatie.”