Heiß auf Eiseskälte

Draußen in der Bucht lassen sich die Segler das laue Lüftchen um die Nase wehen – in der Houston Bay, dem Wassersport-Paradies von Texas. Wer hinüber zur Stadt blickt, sieht im hellen Sonnenschein große Hallen aufragen. Die fensterlosen Zweckbauten sind das Lyndon B. Johnson Space Center – die Steuerzentrale der NASA, in den Sechzigerjahren die Kommandobrücke der Apollo-Flüge zum Mond und heute der Space-Shuttle-Exkursionen in den irdischen Orbit.

Über den Gebäuden brütet die texanische Hitze, aber drinnen herrscht frostige Kälte. In zwei gigantischen Weltraumsimulationskammern holen hier Forscher das kosmische Klima auf die Erde. Im Vakuum und bei Tieftemperaturen testen sie Satelliten und Raumfähren vor dem Flug ins All unter realen Bedingungen. Kammer A ist so hoch wie ein Leuchtturm. Ihre Pforte, zwölf Meter breit, ähnelt einer überdimensionalen Waschmaschinentür aus meterdickem Stahl.

Die Kammer bietet Platz für Landefähren, Raumsonden und andere Flugobjekte – und für jede Menge Luft. Die stört allerdings bei den Tests. Um die Kammer so leer wie den Kosmos zu saugen, werfen die Techniker zunächst mächtige Vakuumpumpen an. Doch für ein Ultrahochvakuum – so bezeichnen Physiker und Ingenieure Drücke unter 10–10 Bar (10–7 Hektopascal) – reicht das nicht. Den letzten Luftrest fängt deshalb eine Kryopumpe ein – eine Maschine, die im Grunde gar nicht pumpt, sondern die verbliebenen Luftmoleküle gefriert. Im Inneren der Kammer hängen dazu große Aluminiumplatten. Durch diese Kühlschilde fließt tiefkaltes Heliumgas von minus 258 Grad Celsius. Wie Fliegen am Klebestreifen frieren die Luftmoleküle an der Wand fest. Nach acht Stunden ist Kammer A so leer und eisig wie das schwarze All.

Flüssiges Helium ist die Kälteste aller Substanzen. Wenn alles andere längst tiefgefroren ist, gluckert das Edelgas noch immer vor sich hin. Der holländische Physiker Heike Kammerlingh-Onnes erreichte damit 1908 erstmals eine Temperatur von minus 269 Grad Celsius. Die Ära der Tiefsttemperaturtechnik, der Kryotechnik, hatte begonnen. Für gewöhnlich ist es auf Erden niemals kälter als minus 89,4 Grad Celsius – diese Rekordtemperatur wurde 1983 an der Antarktisstation Wostok gemessen. Mit modernen Kältemaschinen aber kann man viel tiefere Temperaturen erzeugen – bis knapp über dem absoluten Nullpunkt von minus 273,15 Grad Celsius. Der bleibt aus quantenphysikalischen Gründen prinzipiell unerreichbar.

Doch wie erzeugt man solch kosmische Tiefsttemperaturen? „ Indem man das Gas ein wenig quält”, schmunzelt Jürgen Clausen, Marketing-Chef bei der Linde Kryotechnik im schweizerischen Pfungen, die vor wenigen Jahren die neuen Kälteanlagen für das Space Center in Houston geliefert hat. Tatsächlich macht das Helium einiges durch, ehe es endlich in die Kühlschilde strömen darf: Es durchläuft ein Wechselbad aus Verdichtung und Entspannung.

Bekanntlich erwärmt sich ein Gas, wenn man es komprimiert. Expandiert es wieder, nimmt es die ursprüngliche Temperatur an. Kühlt man das komprimierte Gas aber ab, so ist es nach der Expansion kälter als zu Beginn des Zyklus. Um noch tiefere Temperaturen zu erreichen, kann man einen Teil des unterkühlten Gases abzweigen und es bei der nächsten Kompression erneut zum Abkühlen nutzen. Der Ingenieur Carl von Linde hatte diesen Gedanken weiter gesponnen und eine Gegenstromanlage entwickelt. In der wird das komprimierte Gas in mehreren Schritten immer weiter heruntergekühlt.

Auch die modernen Kryopumpen arbeiten zum Teil mit dem klassischen Gegenstrom. Der läuft heute an Wärmetauschern in so genannten Cold-Boxen ab – Containern, die wie eine Thermoskanne mit einer Vakuumschicht und zusätzlich mit aluminiumbedampften Folien gegen einen Temperaturausgleich mit der Umgebung geschützt sind. Die ganz große Kälte aber bringen sie nicht. Für die finale Abkühlung strömt das Helium deshalb in eine Expansionsturbine. Wie heißes Gas in einem Gaskraftwerk streicht der eisige Äther unter Hochdruck über die Turbinenschaufeln, verliert dabei Energie und erreicht so „kryogene” Tiefsttemperatur. Brayton-Kreislauf heißt dieses Zusammenspiel aus Gegenstrom und Expansionsturbine.

„Viele moderne Kältemaschinen arbei- ten nach diesem Prinzip”, sagt Clausen – unter anderem auch die kleinen Schwestern der texanischen Kältekammern: Kryopumpen für die Chip-Industrie. Allein in der neuen deutschen Hightech-Metropole Dresden sind in den letzten Jahren bei Mikrochip-Herstellern wie Infineon und AMD mehr als 200 dieser Molekülfänger in Betrieb gegangen. Dort braucht man das Vakuum zum Aufbringen von Schichten aus leitenden oder isolierenden Materialien auf Silizium-Wafer. In den Beschichtungsanlagen verdampft ein Laserstrahl kleine Bröckchen der Substanz. Die schlägt sich als dünner Belag auf dem Wafer nieder. Luftmoleküle würden den Belag verunreinigen und den Chip unbrauchbar machen, deshalb dampft man im Vakuum auf.

Die Dresdner Pumpen sind winzig im Vergleich zu dem, was 100 Meter unter der schweizerischen Gemeinde Meyrin unweit des Genfer Sees entsteht. Dort erstreckt sich wie eine überdimensionale Rohrpostleitung der 27,6 Kilometer lange kreisrunde Forschungstunnel des CERN, der europäischen Einrichtung für Kernforschung. Wissenschaftler installieren dort zurzeit eine neue Rennstrecke für Elementarteilchen – den Large Hadron Col- lider (LHC). Im LHC werden von Herbst 2007 an Protonenstrahlen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit kollidieren und auf kleinstem Raum Energie mit einer Dichte freisetzen, wie sie im Urknall geherrscht hat – ein Big-Bang im Miniaturformat.

Mit dem Protonencrash wollen die Wissenschaftler Higgs-Teilchen nachweisen. Diese kosmischen Krümel tragen mutmaßlich dazu bei, der Materie ein Gewicht zu verleihen. Bislang ist ungeklärt, warum Elementarteilchen – und damit auch alle Alltagsgegenstände – überhaupt eine Masse haben. Die Physiker hoffen, dass ihnen das Higgs-Teilchen am LHC in die Falle tappt und dieses Gravitations-Rätsel zu lösen hilft. Ohne extreme Kälte aber ist das nicht möglich.

Nur supraleitende Magnete können die zum Crash verdammten Protonen auf der Kreisbahn halten und ihnen Schwung geben für die nächste Runde. Supraleiter sind Substanzen, die bei sehr tiefen Temperaturen elektrischen Strom widerstandslos transportieren. Das macht sie zum idealen Baumaterial für Magnetspulen. Der ohne Widerstand durch die Spulen rasende elektrische Strom kann gewaltige Feldstärken erzeugen.

Der gesamte Tunnel besteht aus acht je 3,3 Kilometer langen Abschnitten. In jedem Abschnitt befinden sich Magnete mit einer Gesamtmasse von 4500 Tonnen. Die Kühlung muss entsprechend groß sein, um diese Magnete supraleitend zu halten. „Insgesamt benötigen wir 96 Tonnen Helium”, sagt Goran Perini, Kältefachmann im Bereich Experimente und Tests am CERN.

Das ist so viel, dass auf dem CERN-Areal gleich mehrere Cold-Boxen in Dampflokgröße errichtet wurden. Jede Box kühlt einen der acht Sektoren. Auch hier kommen Wärmetauscher und Expansions-Turbinen zum Einsatz. „In den Cold-Boxen und den Turbinen wird das Helium so weit abgekühlt, dass es gerade noch gasförmig ist”, erläutert Perini. „In diesem Zustand leiten wir es 100 Meter tief unter die Erde in den Magnetring.” Erst dort wird das Gas durch eine letzte Entspannung auf nur 16 Millibar Druck verflüssigt.

Damit erreicht es die Rekordtemperatur von minus 271 Grad Celsius – eisiger als das All. Perini: „Bei dieser Kälte wird Helium superfluid – also superflüssig – und gleitet besonders leicht durch die engen Röhren der Magnetstrecke.” Verdampftes Helium strömt anschließend zur Cold-Box zurück. Da sich im flüssigen Helium jede andere Substanz verfestigt, muss das Gas extrem sauber sein. Selbst geringe Beimischungen anderer Gase hätten fatale Folgen, denn sie würden zu winzigen Partikeln gefrieren und die dünnen Heliumkanäle verstopfen.

Die Mega-Kältemaschinen am CERN und bei der NASA sind riesig, aber im Grunde dennoch „peanuts”. Denn eine wesentlich größere Rolle spielt die Kryotechnik woanders, wenn auch bei höherer Temperatur. Zum Beispiel bei der Luftzerlegung: Moderne Luftzerlegungsanlagen liefern pro Tag bis zu mehrere Tausend Tonnen Sauerstoff oder Stickstoff. In Gas-to-Liquid(Gas-zu-flüssig)-Raffinerien zum Beispiel macht man mithilfe des Sauerstoffs aus Erdgas synthetischen Diesel. Und Ölkonzerne benötigen Stickstoff, um damit bei hohem Druck die schwarze Flüssigkeit aus dem Erdboden zu pressen.

Die größte Bedeutung aber hat die Kälte bei der Supraleitung – wo die Zahl der Abnehmer ständig wächst. „Der mit Abstand wichtigste Markt ist die Magnetresonanztomographie”, sagt Hans Quack, Inhaber des einzigen deutschen Lehrstuhls für Kälte- und Kryotechnik an der Technischen Universität Dresden. „Weltweit sind mehrere Zehntausend dieser medizinischen Untersuchungsgeräte im Einsatz.”

Die Tomographen tasten den Körper scheibchenweise ab und berechnen daraus ein dreidimensionales Bild seines Inneren. Dazu liegt der Patient in einer schulterbreiten Röhre. Das wichtigste Stück der Maschinen ist eine supraleitende Magnetspule. Fließt darin Strom, entsteht ein starkes, gleichmäßiges Magnetfeld. Um den elektrischen Widerstand auszuschalten, kühlt man auch hier mit flüssigem Helium.

Im Grunde ist die Supraleitung seit etwa 100 Jahren bekannt. Ihr Nachteil war lange Zeit: Sie benötigte stets teures Helium und eine aberwitzige Kältemaschinerie, damit die Magnetspulen aus Titan und Niob auf Betriebstemperatur kamen. Wie eine Bombe schlug deshalb 1986 die Nachricht der beiden IBM-Physiker Georg Bednorz und Alexander Müller ein: Sie hatten die Hochtemperatur-Supraleitung (HTS) an Seltene-Erden-Keramiken nachgewiesen. Die HTS-Substanzen sind bereits bei minus 196 Grad supraleitend – im Temperaturbereich von flüssigem Stickstoff. Der Vorteil: Flüssiger Stickstoff lässt sich deutlich billiger und einfacher herstellen als flüssiges Helium.

Durch HTS findet die Supraleitung den Weg zu neuen Anwendungen. So verlegten der Hersteller American Superconductor und auch japanische Unternehmen bereits erste Hochspannungskabel mit einem Innenleben aus HTS-Drähten im Erdboden – zum Beispiel einen Steinwurf von New York City entfernt zwischen Long Island und dem Festland. Oder in Albany im US-Bundesstaat New York: Dort ging Ende Juli 2006 die weltweit erste unterirdische Stromverbindung aus supraleitenden Kabeln in Betrieb. Sie soll zunächst ein halbes Jahr im praktischen Einsatz getestet werden.

Am Forschungszentrum Karlsruhe haben Wissenschaftler in den vergangenen Jahren einen weiteren HTS-Baustein für künftige Stromnetze erdacht: einen Strombegrenzer. Der in einem Verbundprojekt des Bundesforschungsministeriums entwickelte Prototyp wird künftig Stromnetze vor Kurzschlüssen schützen. Wie die Sicherung im heimischen Keller fängt der Strombegrenzer Kurzschlussströme ab, die durch Defekte an Leitungen, Berührungen mit Bäumen oder Blitzschlag entstehen. Bei tiefen Temperaturen besitzt das Gerät bis zu einer bestimmten Stromstärke keinen elektrischen Widerstand. Erst wenn ein „kritischer Strom” überschritten wird, verliert der Apparat innerhalb von Millisekunden seine supraleitenden Eigenschaften und wird zu einem elektrischen Widerstand.

Der Vorteil: Nach dem Einsatz stellt sich die Supraleitfähigkeit innerhalb kurzer Zeit von allein wieder ein. Kein Bauteil muss ausgetauscht, kein Sicherungshebel zurückgeklappt werden. Da es immer mehr dezentrale Energielieferanten wie Windräder und kleine Heizkraftwerke gibt, werden Kurzschlussströme künftig zunehmen, sagen Experten. HTS-Strombegrenzer könnten sich deshalb zu einem attraktiven Sicherungssystem mausern.

Längst haben auch die Maschinenbauer die Hochtemperatur-Supraleitung entdeckt. Denn nicht nur Stromkabel lassen sich damit kühlen, sondern auch die Spulen in Elektromotoren und Generatoren. „Wir werden dieses Jahr die ersten von sechs 36-Megawatt-Schiffsmotoren an die US-Marine ausliefern”, sagt Werner Zoske von der deutschen American-Superconductor-Dependance im niederrheinischen Issum – Aggregate mit immerhin 50 000 PS. Der Vorteil: Da die Drähte aus HTS deutlich mehr Strom leiten können als Kupfer, lässt sich mit sehr viel weniger Material ein starkes Magnetfeld erzeugen. Der HTS-Motor ist wesentlich kleiner und leistungsfähiger als sein Pendant aus Kupfer. Das wissen auch die Entwickler von Siemens in Nürnberg. In ihren Labors surrt seit einem halben Jahr der weltweit erste schnell laufende Hochtemperatur-Supraleiter-Generator.

Vier Megawatt bei 3600 Umdrehungen pro Minute schafft der Apparat. Seine Nachfolger sollen künftig Strom für Elektromotoren liefern – auf so genannten vollelektrischen Schiffen. Deren Schiffsschrauben werden nicht direkt durch große Dieselmotoren angetrieben. Der Treibstoff wird stattdessen verbrannt und speist über eine Turbine den Generator. Von dort gelangt der Strom dann über Kabel zu kleineren Elektromotoren, die die Schiffsschrauben bewegen. Der vollelektrische Antrieb spart Platz, denn statt riesiger Dieselmotoren und Antriebswellen gibt es mehrere kleine Elektroaggregate. Die lassen sich nicht nur platzsparend verstauen, sie machen auch weniger Krach als ein tuckernder Diesel.

Die wichtigste Frage bei der Entwicklung des eisigen Schiffsgenerators war, wie sich ein Generator mit einem derart schnell drehenden Innenleben auf Tieftemperatur kühlen lässt. Die Lösung ist genial einfach: Die Entwickler nutzten die Generator-Welle als Tunnel für das Kühlmittel, das Edelgas Neon. Es wird an so genannten Kaltköpfen verflüssigt, fließt durch die hohle Welle bis zum Rotor und bringt die HTS-Spulen aus Wismutkeramik auf frostige Betriebstemperatur. Erwärmt sich das Neon, wird es wieder zu Gas und strömt durch dieselbe Leitung zurück zum Kaltkopf.

Anders als Helium verflüssigt sich Neon bereits bei minus 248 Grad Celsius. Aufwendige Helium-Technik ist also nicht nötig. „ Das Neon fließt ganz von allein hin und her”, erklärt Projektkoordinator Bernd Wacker. „Pumpen sind nicht erforderlich, das Neon-System ist hermetisch abgeschlossen und wartungsfrei.”

An derart robuste Kryotechnik war noch vor wenigen Jahrzehnten kaum zu denken. Die Tieftemperatur war das Werkzeug der Forscher und Mediziner. In den Rümpfen von Schiffen wird sie in naher Zukunft die Welt erobern – fast unbemerkt. Und unglaublich kalt. ■

TIM SCHRÖDER lebt als freier Wissenschafts- und Technikjournalist in Oldenburg. Seine Spezialität: aktuelle technologische Trends.

Tim Schröder