Mit totaler High-Tech Ausrüstung herumspielen zu dürfen, ist ein wesentlicher Punkt, warum ich diesen Job überhaupt mache und Sätze wie “Ich habe Deutschlands modernsten Kernreaktor eigenhändig mit einem Stück Panzertape ‘repariert’” sind nicht nur ein toller Satz im Lebenslauf bei der nächsten Bewerbung, sondern auch ein super Gesprächseinstieg auf einer Party. Naja, die Art von Party, die man mit: “Hey Baby, willst du mal meine Turbomolekularpumpe sehen?” verlässt – auf dem einen oder anderen Weg 😉

Als ich letztens hier erklärt habe, wie der 14jährige Jackson in seinem Kinderzimmer eine stabile Kernfusion hinbekommen hat, da habe ich zur Bebilderung Fotos von meinem Laborequipment genutzt, die er in ähnlicher Form auch verwendet haben wird. Dabei ist mir aufgefallen, dass davon noch hunderte mehr auf meiner Festplatte herumliegen und Staub ansetzen, obwohl sie doch, zumindest für einen gewissen Teil der Leserschaft hier, durchaus interessant sein dürften. So will ich nun die Miniserie – Zeig her dein Laborequipment – ins Leben rufen und immer mal wieder unter einem groben thematischen Zusammenhang etwas von meinem Spielzeug vorstellen, in der Hoffnung, das etwas von meiner Begeisterung überspringt.

Kryostat

Ein Kryostat ist ein Behälter, in dem sehr tiefe Temperaturen erzeugt und gehalten werden können. Also unterm Strich nur ein Kühlschrank. Das kann aber bei wirklich tiefen Temperaturen von flüssigem Helium (4K aka -270°C) schon schnell mal kompliziert werden. Die meisten Kryostate verfügen über mehrere Vakuum-Kammern, um die zu kühlende Probe von der Umgebung zu trennen. In der Regel benutzt man billigen flüssigen Stickstoff für die erste Stufe und als Hitzeschild (bei 70K oder -200°C) und dann flüssiges Helium für den letzten Schritt runter bis 3-4K. Das Vakuum sollte von einer guten Qualität bei ca. 10^-3 mbar sein, damit die mittlere freie Weglänge der Restatome im Vakuum unter Kühlung kleiner wird als die Größe der Vakuumspalte (1-2cm). Damit wird verhindert, dass die Wärme per Konvektion oder Kinetik übertragen werden kann. Wenn dann nur noch Strahlung als Wärmeübertragung bleibt, dann kann so ein Kryostat mit gutem Vakuum auch mal Tage und Wochen ohne zusätzliches Kühlmittel auskommen. Wenn man die Bauteile poliert und/oder sehr dünne Alu/Isolationsfolie (100-1000 Schichten) mit einsetzt, dann kann man den Austausch über die Strahlung auch noch weiter verringern. Ein Vakuum von 10^-3 mbar verringert sich selber beim Runterkühlen durch Ausfrieren der letzten Moleküle auf 10^-5 mbar.

Bei tiefkalten Temperaturen treten dann plötzlich Lecks an Stellen auf, wo vorher keine gewesen sind. Dumme Sache sowas.

Irgendwo wird immer ein thermischer Kontakt entstehen. Da gilt es dann, Fläche und Wärmeleitfähigkeit zu reduzieren. Ein paar Edelstahlsorten und Spezialplastik wie Vespel sind da gute Kandidaten. Kabeldurchführungen für Sonden etc. sind Schwachstellen und Wärmeleiter, deswegen benutzt man kein Kupferkabel, sondern Edelstahl, Constantan oder ähnliches. Sonst braucht mal halt mehr Power, sprich Kühlleistung. Flüssiger Stickstoff kostet mit 1€/L quasi nix und damit kann man jede Menge Wärme abtransportieren. Bei Helium wirds schon wesentlich teurer. Auf der He-Stufe sollte die Kühlleistung nur noch 1-2W betragen… maximal.

Probenkammer bei 4K (kleiner Zylinder links) und vergoldeter Cu-Hitzeschild (Zylinder rechts) + “Spezialkabel” für Temperatursensoren

Ich war absichtlich mit den Temperaturen etwas schluderig, denn oft werden die Kryostate tiefer als mit Raumdruck betrieben. Damit kann man dann mit flüssigem He auch noch auf 2-3K runterkommen, was ganz cool ist, wenn man im Hinterkopf behält, dass das Weltall ganze 2.7K warm ist (kosmische Hintergrundstrahlung). Mit He4/He3 Mischkryostaten und anderen Techniken kann man sogar noch in den 0.0X Bereich runter und da gibt es eine eigene Disziplin der Tieftemperaturphysik für. Wenn man keine Lust hat, jede Menge Gas in so ein Ding reinzukippen, dann kann man auch eine (mehrstufige) Wärmepumpe mit He als Austauschgas benutzen. 4W Kühlleistung auf 4K kostet ca. 140k€, läuft dann aber ohne Kühlmittel.

Kleine Anekdote: An einer Uni in der DDR kurz nach dem zweiten Weltkrieg gab es dann kein Helium aus den USA mehr. Daher hat man (vorübergehend) Wasserstoff statt Helium als Kühlmittel benutzt, welches natürlich durch die Mikrolecks in die Umgebung entkam und sich unter der Labordecke sammelte. Daher musste die letzte Doktorandin am Abend immer, nachdem sie alle Geräte und Gase abgestellt hatte, einen Besen anzünden und damit unter der Decke herumwedeln um den letzten Wasserstoff zu verbrennen, damit sich nicht über Nacht irgendwo explosionsfähige Gemische bilden konnten.

Kommentare (18)

  1. #1 Laie
    30. April 2019

    “Hey Baby willst du mal meine Turbomolekularpumpe sehen?” ist schon recht gut, vielleicht vorher ankündigen – dass diese auch eine praktischen Verwendungszweck hat, wie in:
    “Hey Baby, willst Du für Lebensmittel mal einen ordentlichen Gefrierschrank sehen, dann kommt, ich zeig Dir meinen Kryostat und zum vorherigen Vakuumverpacken meine Turbomolekularpumpe” 😉

    Man könnte aber auch mit der Verlängerung des Mindesthaltbarkeitsdatums argumentieren.

  2. #2 hefisch
    30. April 2019

    Die mittlere freie Weglänge wird doch bei besserem Vakuum grösser.
    Also auch bei tieferen Temperaturen.

    Grüsse
    hefisch

  3. #3 tomtoo
    30. April 2019

    01.01.2000 00:00 Uhr
    Sowas nenne ich Einsatz! Oder eine falsch gestellte Uhr? Oder ultrakalter Sekt? ; )

  4. #4 Tobias Cronert
    30. April 2019

    @ Laie: Ja stimmt. Konservierung von Lebensmitteln ist auch noch ein super Flirtgrund. Hätte ich dran denken sollen *g*

    @hefisch: Ja, die mittlere freie Weglänge wird auch bei höherem Vakuum größer, weil weniger Moleküle zum Streuen da sind. Mir wurde beigebracht (sprich ich habe es nicht selber ausgerechnet) es gäbe halt bei 10^-3 mbar und Raumtemperatur diesen Sweetspot, wo die Luftmoleküle eine Mittlere freie Weglänge von der Größenordnung mm haben und dann eben nicht mehr an die Behälterwände stoßen, wenn man kühlt.

    @tomtoo: Nope, an dem Datum habe ich etwas ganz anderes gemacht 😉

  5. #5 Fluffy
    30. April 2019

    und Sätze wie “ich habe Deutschlands modernsten Kernreaktor eigenhändig mit einem Stück Panzertape “repariert””

    sind der Grund dafür, dass einige Leute alle Kernkraftwerke abschalten wollen.

  6. #6 tomtoo
    30. April 2019

    @fluffy
    Stimmt nicht. Ohne Panzertape gäbe es ja auch die ganze live Musikindustrie nicht.

  7. #7 Tobias Cronert
    30. April 2019

    Es gibt Leute, die etwas gegen Panzertape haben? Sind die denn des Wahnsinns? Keine wichtige Erfindung der letzten 100Jahre wäre ohne Panzertape möglich gewesen. Es ist die Basis des menschlichen Fortschritts.

  8. #8 Felix
    1. Mai 2019

    Das ist gemein. Wenn ich sowas machen wollen würde dann hätte ich gleich die Abmahnung oder schlimmer im Briefkasten.
    Also, Augen auf bei der Berufswahl.

  9. #9 Tobias Cronert
    1. Mai 2019

    Ja, da bin ich auch sehr froh einen verständnisvollen Chef zu haben, der das sogar noch unterstützt und der ehrlichen Meinung ist, dass wir so vielen Leute, wie möglich, zeigen sollten, was wir machen. Ich mein immerhin werden die ganzen Spielzeuge ja vom Steuerzahler, also euch allen, bezahlt … Danke an dieser Stelle noch mal.

    @Felix: Was ist denn bei dir das Problem? Verschwiegenheit weil R&D im kommerziellen Bereich? Patente? Sicherheitsvorbehalte?

    Früher war das FZ-Jülich, damals noch KFA, auch sehr restriktiv, was Bilder u.ä. betraf, aber das hat sich mittlerweile zum Glück geändert.

  10. #10 Karl Mistelberger
    mistelberger.net
    1. Mai 2019

    > Mit He4/He3 Mischkryostaten und anderen Techniken kann man sogar noch in den 0.0X Bereich runter und da gibt es eine eigene Disziplin der Tieftemperaturphysik für.

    http://cdsweb.cern.ch/record/1036217/files/thesis-2007-040.pdf

  11. #11 hto
    1. Mai 2019

    #7

    Wenn ich durch die Straßen meiner Heimatstadt laufe, dann kommt mir der Gedanke: Diese Welt wird nur noch von Kaugummi zusammengehalten.
    Mich fasziniert mehr Gerätschaft für Feuer und geschmolzenes Gestein / Eisen, mit Kälte habe ich es nicht so :))

  12. #12 Spritkopf
    1. Mai 2019

    @Tobias

    So will ich nun die Miniserie – Zeig her dein Laborequipment – ins Leben rufen und immer mal wieder unter einem groben thematischen Zusammenhang etwas von meinem Spielzeug vorstellen, in der Hoffnung, das etwas von meiner Begeisterung überspringt.

    Das ist gar nicht notwendig. So ein bißchen habe ich ja auch bei mir rumliegen (hauptsächlich Optikkram und Lineartechnik), aber wenn ich das Zeug so sehe, mit dem du herumhantieren darfst, springt mir der blanke Neid ins Gesicht. 😉

    Daher musste die letzte Doktorandin am Abend immer, nachdem sie alle Geräte und Gase abgestellt hatte, einen Besen anzünden und damit unter der Decke herumwedeln um den letzten Wasserstoff zu verbrennen, damit sich nicht über Nacht irgendwo explosionsfähige Gemische bilden konnten.

    Und warum die Doktorandin? Antwort: Die ist ersetzbar.

    Keine wichtige Erfindung der letzten 100Jahre wäre ohne Panzertape möglich gewesen.

    Oder verallgemeinert: Panzertape für das, was lose ist und fest sein soll; WD40 für das, was fest ist und lose sein soll.

  13. #13 Tobias Cronert
    1. Mai 2019

    @hto: Feuer und geschmolzenes Gestein gibts auch noch, wenn es um Kristallzucht geht. Später dann mal in Teil n 😉

    Pfeile, die kosten Geld. Schickt die Doktoranden, die kosten gar nichts. *g*

  14. #14 bombjack
    2. Mai 2019

    Tja komm auch einer anderen Ecke….und hab eher das Problem des Platzes (und ein weinig Zeitmangel), plus die Chemie zu bekommen.

    Hier mal Bilder wo ich in der Uni meine “organische Ecke” noch hatte, wobei die meiste Ausrüstung von mir selber stammt (da Sammeltier hochdrei):
    http://illumina-chemie.de/bis-(246-trichlorphenyl)-oxalat-(tcpo)-synthese-t3084-s15.html#46050
    Okay mit Oxalylchlorid würde ich ohne Abzug nicht unbedingt im Keller arbeiten wollen, aber hier z.B. http://illumina-chemie.de/bis(25-di-t-butylphenyl)-34910-perylenbis(dicarboximid)-t3647.html etwas in Papas Heizungskeller von mir gekocht wurde.

    Hier in CH missbrauche ich mein Bad als Dunkelkammer und Minilabor, allerdings eher für Edeldruckverfahren z.B. http://illumina-chemie.de/chemigrams-and-co-t4590.html#72732 oder Gummidruck, Cyanotypie….

    bombjack

  15. #15 Felix
    3. Mai 2019

    @Tobias
    Beides: Verschwiegenheit weil R&D im kommerziellen Bereich und Patente. Und weil gewisse amerikanische Obsthersteller die Oeffentlichkeit gerne ueberraschen 😉

    Dabei moechte man auch in diesem Business (manchmal) mit seinem Equipment angeben.

  16. #16 Tobias Cronert
    3. Mai 2019

    Kann ich gut verstehen.

    Chemie ist auch immer ganz toll. Ich finde es sehr schade, dass ich in Jülich kein Chemielabor mehr zur Verfügung habe. OK unser Institut hat zwar ein recht tolles für die Kristallzucht, aber da ich das nicht mehr mache habe ich da leider nichts drin zu suchen … macht Sinn, ist trotzdem doof 😉

  17. #17 Wernet
    3. Mai 2019

    Hallo,hat jemand einen rotierenden Magneten. Man weiß, das Magnetfelder sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Es gibt wie in der Sonne eine Konfiguration, wo man c + Rotationsgeschwindigkeit zu abreissenden Magnetfeldern wie eine Spirale aufnehmen kann und damit 1000 Tesla herstellt. Bei der Rekonnexion entsteht Fusion.
    So kann durch ein Atomplasma Magnetfeld wie eine Sphagetti aufgerollt und zur Fusion gebracht werden.

    Hey Nucular, wenn du Interesse hast, so schreib mal einen weiteren Blog

    Dann kann ich dir eine Anordnung schicken, die vielleicht funzt. In dem Sinne Gruß Wernet

  18. #18 Tobias Cronert
    5. Mai 2019

    Naja, pack einfach einen Magneten auf einen Motor, dann rotiert der schon 😉
    Ne ehrlich, wir haben ziemlich viele Magnete, die rotieren können. Das ist bei uns eher normal. Also meistens halt um das Magnetfeld auszurichten, aber es gibt auch Anordnungen mit hohen Frequenzen um bestimmte physikalische Effekte zu erzeugen.

    Die kT wage ich allerdings zu bezweifeln. Neutronen sind übrigens so ziemlich die einzige Methode, mit denen man Magnetfelder direkt sehen kann … wir haben da ein wenig Erfahrung in dem Feld *g* http://scienceblogs.de/nucular/2018/05/22/magnetismus-sichtbar-machen-polarisierte-neutronenradiographie/