Durch die Modifizierung eines Kühlschranks, der sowohl in der Forschung als auch in der Industrie häufig verwendet wird, haben Forscher am National Institute of Standards and Technology (NIST) den Zeit- und Energieaufwand für die Kühlung von Materialien auf wenige Grad über den absoluten Nullpunkt drastisch reduziert.
Die Wissenschaftler sagen, dass ihr Prototypgerät, an dessen Kommerzialisierung sie derzeit mit einem Industriepartner arbeiten, jährlich schätzungsweise 27 Millionen Watt Strom, 30 Millionen US-Dollar an weltweitem Stromverbrauch und genug Kühlwasser einsparen könnte, um 5.000 olympische Schwimmbecken zu füllen.
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-Weltraumteleskops der NASA, um den Himmel beobachten zu können, ist ultrakalte Kühlung für den Betrieb vieler Geräte und Sensoren unerlässlich. Seit Jahrzehnten ist der Pulsröhrenkühler (PTR) das Arbeitsgerät, um Temperaturen zu erreichen, die so kalt sind wie das Vakuum im Weltraum.
Diese Kühlschränke komprimieren (erhitzen) und expandieren (kühlen) Hochdruck-Heliumgas zyklisch, um den „Big Chill“ zu erreichen, im Großen und Ganzen analog zu der Art und Weise, wie ein Haushaltskühlschrank die Umwandlung von Freon von Flüssigkeit in Dampf nutzt, um Wärme abzuleiten. Seit mehr als 40 Jahren hat der PTR seine Zuverlässigkeit unter Beweis gestellt, ist aber auch energiehungrig und verbraucht mehr Strom als jede andere Komponente eines Ultratieftemperaturexperiments.
Als NIST-Forscher Ryan Snodgrass und seine Kollegen den Kühlschrank genauer untersuchten, stellten sie fest, dass die Hersteller das Gerät so gebaut hatten, dass es nur bei seiner endgültigen Betriebstemperatur von 4 Kelvin (K) oder 4 Grad über dem absoluten Nullpunkt energieeffizient ist. Das Team stellte fest, dass diese Kühlschränke bei höheren Temperaturen äußerst ineffizient sind – ein großes Problem, da der Abkühlprozess bei Raumtemperatur beginnt.
Animationen zeigen eine vereinfachte Version eines Pulsrohrkühlers (PTR), der üblicherweise zum Kühlen von Materialien auf einige Grad über dem absoluten Nullpunkt verwendet wird, indem unter hohem Druck gehaltenes Heliumgas komprimiert und expandiert wird. NIST-Forscher optimierten die Effizienz des PTR und reduzierten den Zeit- und Energieaufwand zum Erreichen ultrakalter Temperaturen drastisch, indem sie das Ventil, das das Pulsrohr mit einem Heliumgasreservoir verbindet, kontinuierlich verstellten. Bildnachweis: S. Kelley/NIST
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 geleitet wurde, anstatt verwendet zu werden zum Kühlen. Durch die Änderung der mechanischen Verbindungen zwischen Kompressor und Kühlschrank stellte das Team sicher, dass kein Helium verschwendet wurde, was die Effizienz des Kühlschranks erheblich verbesserte.
Insbesondere passten die Forscher kontinuierlich eine Reihe von Ventilen an, die die Menge an Heliumgas steuern, die vom Kompressor zum Kühlschrank fließt. Die Wissenschaftler fanden heraus, dass sie die Abkühlzeit auf die Hälfte bis ein Viertel der jetzigen Zeit verkürzen könnten, wenn sie den Ventilen bei Raumtemperatur eine größere Öffnung ließen und sie dann mit fortschreitender Abkühlung allmählich schlossen.
Derzeit müssen Wissenschaftler einen Tag oder länger warten, bis neue Quantenschaltkreise kalt genug sind, um getestet zu werden. Da der Fortschritt der wissenschaftlichen Forschung durch die Zeit begrenzt werden kann, die benötigt wird, um kryogene Temperaturen zu erreichen, könnte die durch diese Technologie ermöglichte schnellere Abkühlung weitreichende Auswirkungen auf viele Bereiche haben, darunter auch auf Quantencomputer und andere Bereiche der Quantenforschung.
Die vom NIST-Team entwickelte Technologie könnte es Wissenschaftlern auch ermöglichen, große Pulsrohrkühlschränke durch viel kleinere zu ersetzen, die weniger unterstützende Infrastruktur erfordern, sagte Snodgrass.
Der Bedarf an diesen Kühlschränken wird stark zunehmen, da die Forschung im Bereich Quantencomputer und deren Abhängigkeit von der kryogenen Technologie weiter zunimmt. Das modifizierte PTR würde dann deutlich mehr Geld, elektrische Energie und Kühlwasser einsparen. Das Gerät würde nicht nur eine aufkeimende Quantenwirtschaft unterstützen, sondern auch die Forschung beschleunigen, da Wissenschaftler nicht mehr Tage oder Wochen auf das Abkühlen von Qubits und anderen Quantenkomponenten warten müssten.
Das Papier ist veröffentlicht im Tagebuch Naturkommunikation.
Mehr Informationen:
Ryan Snodgrass et al., Dynamische akustische Optimierung von Pulsrohrkühlschränken für schnelles Abkühlen, Naturkommunikation (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-47561-5
Diese Geschichte wurde mit freundlicher Genehmigung von NIST erneut veröffentlicht. Lesen Sie die Originalgeschichte Hier.