Tiefsttemperaturtechnik

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Einleitung

Tiefsttemperaturtechnik, auch Kryogenik, Teilgebiet der Kältetechnik, das sich u. a. mit der Untersuchung und dem Einsatz von Materialien bei sehr niedrigen Temperaturen beschäftigt.

Die Obergrenze für Tieftemperaturen ist nicht einheitlich festgelegt. Das National Institute of Standards and Technology der Vereinigten Staaten hat vorgeschlagen, dass der Begriff Tiefsttemperaturtechnik für Temperaturen unter -150 °C (123 Kelvin) angewendet werden sollte. Einige Wissenschaftler betrachten den Siedepunkt von Sauerstoff unter Normalbedingungen (-183 °C) als Obergrenze (siehe absoluter Temperaturnullpunkt). Tieftemperaturen werden entweder durch die schnelle Verdampfung flüchtiger Flüssigkeiten oder durch die Entspannung von Gasen, die ursprünglich bei einem Druck von 150 bis 200 Atmosphären eingeschlossen waren, erzielt. Die Entspannung kann einfach erfolgen, d. h. durch ein Ventil hin zu einer Zone mit geringerem Druck, oder sie kann im Zylinder einer Hubkolbenmaschine erfolgen, wobei das Gas den Kolben der Maschine bewegt. Effektiver ist die zweite Methode, aber sie ist auch schwieriger anzuwenden. Siehe Wärme

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Entwicklung

Pionierarbeiten auf dem Gebiet der Tieftemperaturphysik der britischen Chemiker Humphry Davy und Michael Faraday in der Zeit von 1823 bis 1845 ebneten den Weg für die Entwicklung der Kältetechnik. Davy und Faraday erzeugten Gase, indem sie an einem Ende einer wie ein umgedrehtes V geformten Röhre eine geeignete Mischung erhitzten. Das andere Ende wurde in einer Salz-Eis-Mischung gekühlt. Durch das Zusammenwirken von verringerter Temperatur und erhöhtem Druck verflüssigte sich das entstandene Gas. Als die Röhre geöffnet wurde, verdampfte die Flüssigkeit sehr schnell und kühlte auf ihren Siedepunkt ab. Indem Faraday mit Diethylether vermischtes festes Kohlendioxid bei niedrigem Druck verdampfen ließ, gelang es ihm schließlich, eine Temperatur von etwa 163 K (-110 °C) zu erreichen.

Lässt man ein Gas mit einer anfangs mäßigen Temperatur sich durch ein Ventil entspannen, steigt seine Temperatur. Ist aber die Ausgangstemperatur niedriger als die Inversionstemperatur, verursacht die Entspannung als Folge des so genannten Joule-Thomson-Effekts eine Temperaturerniedrigung. Die Inversionstemperaturen von Wasserstoff und Helium, zwei wichtigen Tieftemperaturgasen, sind äußerst niedrig. Um einen Temperaturabfall mittels Entspannung zu erzielen, müssen diese Gase zunächst unter ihre Inversionstemperatur abgekühlt werden: der Wasserstoff mit flüssiger Luft und das Helium mit flüssigem Wasserstoff. Im Allgemeinen ist es mit dieser Methode nicht möglich, die Verflüssigung in einem Schritt zu verwirklichen, aber indem sie die Stufen kaskadenförmig anordneten, gelang es unabhängig voneinander dem französischen Physiker Louis Paul Cailletet und dem Schweizer Physiker Raoul Pierre Pictet 1877, Tröpfchen flüssigen Sauerstoffs zu erzeugen. Mit diesem Experiment wurde der Vorstellung von beständigen Gasen ein Ende gesetzt. Es eröffnete die Möglichkeit, jedes Gas durch mäßige Komprimierung bei Temperaturen unterhalb der kritischen Temperatur zu verflüssigen.

Der holländische Physiker Heike Kamerlingh Onnes errichtete 1894 das erste Werk zur Herstellung von flüssiger Luft, bei dem er das Kaskadenprinzip anwandte. In den folgenden 40 Jahren verbesserten Forscher in Großbritannien, Frankreich, Deutschland und Russland den Prozess. Der britische Chemiker Sir James Dewar verflüssigte 1898 zum ersten Mal Wasserstoff, und Kamerlingh Onnes verflüssigte 1908 Helium, das Gas, das am schwierigsten zu verflüssigen war. Seitdem wurde der Untersuchung der Erscheinungen bei niedrigen Temperaturen mehr Aufmerksamkeit geschenkt. Die nächste Entwicklungsstufe, ein Kältegas in einer Hubkolbenmaschine oder einer Turbine wirken zu lassen, ist eine Herausforderung geblieben. Bemerkenswert waren die Arbeiten des sowjetischen Physikers Pjotr Leonidowitsch Kapiza und des amerikanischen Maschinenbauingenieurs Samuel Collins. Ein auf Collins’ Entwurf beruhender Heliumverflüssiger ermöglichte vielen nichtspezialisierten Labors, Experimente am Siedepunkt von Helium, bei 4,2 Kelvin (-268,9 °C), durchzuführen.

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Tausendstel Kelvin

Durch die Verdampfung von flüssigem Helium bei verringertem Druck werden niedrige Temperaturen von 0,7 Kelvin (-272,45 °C) erreicht. Eine weitere Abkühlung auf tausendstel Kelvin gelingt z. B. durch die so genannte Mischkühlung. In einem Helium-Mischkühler sind Isotope von Helium 3 und Helium 4 enthalten. Kommt es zu einer Vermischung der Isotope in der Mischkammer des Gerätes, sinkt die Temperatur. Für einen kontinuierlichen Betrieb wird die Mischung in eine zweite Kammer geleitet, wo man das Helium 3 durch Verdampfen aus der Mischung entfernt. Die „gereinigte“ Mischung gelangt zurück in die Mischkammer. Das isolierte Helium 3 wird wieder verflüssigt und für einen weiteren Kühlvorgang in die Mischkammer geleitet.

Eine andere Möglichkeit zum Absenken der Temperatur auf tausendstel Kelvin bietet z. B. ein erst kürzlich entwickeltes Kühlgerät, das nach dem Prinzip eines leistungsfähigen Kühlschranks arbeitet. Mit dem Gerät lassen sich Temperaturen von acht tausendstel Kelvin erreichen.

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Adiabatische Entmagnetisierung

Noch niedrigere Temperaturen können durch die adiabatische (ohne Wärmeaustausch ablaufende) Entmagnetisierung erzielt werden. Dazu wird um eine paramagnetische Substanz ein Magnetfeld erzeugt (siehe Magnetismus: Arten magnetischer Materialien), während die Substanz z. B. in flüssigem Helium auf etwa 1 Kelvin gekühlt wird. Durch das Feld werden die magnetischen Momente der Bausteine des Kristallgitters ausgerichtet. Wird nun das Feld abgebaut, nehmen die magnetischen Momente ihren statistisch ungeordneten Zustand wieder an. Bei diesem Vorgang wird der Substanz die Wärmeenergie, die zur Aufrechterhaltung der Magnetisierung nötig war, wieder entzogen. Deshalb sinkt die Temperatur auf so niedrige Werte wie 0,002 Kelvin. In ähnlicher Weise erzeugte die Ausrichtung von Atomkernen mit anschließender Abschaltung des Magnetfeldes Temperaturen bis 0,00001 Kelvin.

Probleme ergeben sich beim Messen von Temperaturen im Tieftemperaturbereich. Eine Methode ist das Messen des Druckes einer bekannten Menge von Wasserstoff oder Helium, aber bei den niedrigsten Temperaturen versagt diese Methode. Der Dampfdruck von Helium 4, d. h. von Helium mit der Atommasse 4, oder von Helium 3 (Atommasse 3) ergänzt diese Methode. Bestimmungen des elektrischen Widerstands von Metallen oder Halbleitern oder ihrer magnetischen Eigenschaften sind weitere Möglichkeiten.