Trillingsvrije koeling voor ongestoord meten van zwaartekrachtgolven
Een consortium van Demcon kryoz, Cooll en Universiteit Twente, gaat een geavanceerd koelsysteem ontwikkelen voor de Einstein Telescope. Dit enorme observatorium gaat meten aan zwaartekrachtgolven, die Albert Einstein meer dan 100 jaar geleden al voorspelde. Het wordt mogelijk gehuisvest onder het heuvellandschap van het Nederlands-Belgisch-Duitse grensgebied. 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. Trillingsvrij koelen tot zeer lage temperaturen is nodig om de zeer zwakke signalen uit het heelal te kunnen detecteren. De drie partijen beschikken over veel fundamentele kennis en industriële expertise van trillingsvrij koelen. Die zetten ze nu in om de metingen veel nauwkeuriger te maken, voor een beter begrip van extreme gebeurtenissen diep in het heelal.
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 groot 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 nodig
Om de Einstein Telescope tien keer nauwkeuriger te maken dan de bestaande observatoria zijn er nieuwe technologieën nodig. Die worden onder meer ontwikkeld in het speciale 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, dat nodig is om de metingen veel nauwkeuriger te maken.
Twents onderzoek aan trillingsvrij koelen
Aan de Universiteit Twente (UT) in Enschede 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. We zorgen dat alle kennis en expertise en alle benodigde componenten bijeenkomen en dat als eindresultaat een betrouwbaar werkend systeem volgens planning en binnen budget wordt opgeleverd. Dat is zeker nodig, want met de uitkomst van ons project dragen we bij aan het bidbook voor de Nederlands-Belgisch-Duitse locatie van de Einstein Telescope.”
Universiteit Twente (UT)
“Voor de UT, en de vakgroep EMS in het bijzonder, is dit een fantastisch project”, vertelt 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.”
Mijlpaal
Programmamanager Jorg van der Meij (LIOF): “Met deze toekenning vieren we een mijlpaal in het Einstein Telescope valorisatieprogramma, nu een consortium van visionaire bedrijven en een toonaangevende kennisinstelling de eerste R&D-subsidie heeft ontvangen. Hun innovatieve plannen rondom trillingsvrij koelen versterken niet alleen de kandidatuur voor de Einstein Telescope, maar zijn ook veelbelovend voor andere sectoren en toepassingen.”
Samenwerking kennisinstellingen en bedrijven
Robbert Dijkgraaf, demissionair minister van Onderwijs, Cultuur en Wetenschap, vindt het fantastisch om te zien dat de bedrijven aan de slag gaan om de technologie voor de Einstein Telescope te ontwikkelen. “Deze samenwerking tussen kennisinstellingen en bedrijven laat zien hoe het bundelen van krachten kan leiden tot baanbrekend onderzoek en innovatie. De Einstein Telescope belooft niet alleen nieuwe wetenschappelijke ontdekkingen, maar ook economische groei en werkgelegenheid. Hoewel we nog niet zeker weten waar de telescoop straks komt te staan, is deze samenwerking een belangrijke investering in ons land en de internationale wetenschap.”
Man-op-de-maanproject
Pieter Lerou van Demcon kryoz is uiteraard trots op het binnenhalen van het project. “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.”
Demcon kryoz
Demcon kryoz in Enschede, onderdeel van de Demcon group, ontwikkelt geavanceerde oplossingen voor het efficiënt koelen of verwarmen van hightech systemen. Toepassingen liggen op het gebied van wetenschappelijke instrumentatie, materiaalonderzoek, telecommunicatie en medische diagnostiek. De expertise reikt van cryogene tot extreem hoge temperaturen. Demcon kryoz beschikt daarvoor over specifieke fysische kennis, uitgebreide ervaring met modelvorming, testopstellingen en eigen producten, zoals cryogene microkoelers.
Universiteit Twente
De Universiteit Twente in Enschede (12.500 studenten, 3.900 medewerkers) is een ‘smart living lab’ waar studenten en medewerkers zorgen voor baanbrekend onderzoek, verrassende innovaties en inspirerend onderwijs. De vakgroep Energy, Materials & Systems (EMS) van de faculteit Technische Natuurwetenschappen doet onderzoek aan supergeleiding en cryogene technologie. Toepassingen liggen op het gebied van duurzame energie (onder meer kernfusie en hoogvermogen elektriciteitstransport) en wetenschappelijk onderzoek. EMS draagt onder meer bij aan CERN (elementaire deeltjes), ESA (ruimtevaart) en de Einstein Telescope (zwaartekrachtgolven).
Cooll
Cooll in Hengelo (Ov) ontwikkelt een zuinige brandstofaangedreven warmtepomp op basis van adsorptietechnologie. Het hart van de technologie is een hoogwaardige actieve kool. Cooll heeft daarvoor samen met een Amerikaanse partner de productietechnologie ontwikkeld en er in Nederland een fabriek voor ingericht. Voor woningverwarming bouwt het bedrijf nu warmtepompen die werken met actieve kool in de warmte-aangedreven adsorptiecompressor.
LIOF
LIOF is de regionale ontwikkelingsmaatschappij voor Limburg en ondersteunt innovatieve ondernemers met advies, netwerk en financiering. LIOF is er voor elke startup, scale-up en mkb’er met een innovatief idee, een businessplan of een financieringsvraag én voor (buitenlandse) ondernemers die zich in Limburg willen vestigen. Daarnaast helpt LIOF met grensoverschrijdende samenwerking en internationaal zakendoen. Samen met ondernemers en partners werkt LIOF toe naar een slimmer, duurzamer en gezonder Limburg door in te zetten op de transities energie, circulariteit, gezondheid en digitalisering.
Zwaartekrachtgolven
Zwaartekrachtgolven als gevolg van extreme gebeurtenissen in het heelal, zoals het samensmelten van twee zwarte gaten, werden voorspeld door de grote natuurkundige Albert Einstein. Een eeuw later, in 2015, werden ze voor het eerst waargenomen door twee Amerikaanse observatoria. In Europa wordt nu gewerkt aan een nieuwe, nog gevoeligere detector, de Einstein Telescope. Daarmee kunnen onderzoekers nog veel meer waarnemingen doen van ‘rimpelingen in het ruimte-tijdweefsel’. Zo willen ze het geboorteproces van zwarte gaten beter leren begrijpen en meer inzicht krijgen in de aard van het heelal direct na de oerknal. Ook kunnen ze met de nieuwe telescoop voorspellingen van Einstein’s relativiteitstheorie nog beter testen.
Detectie van zwaartekrachtgolven
De waarnemingen van de Einstein Telescope vinden plaats met behulp van laserinterferometrie. Een laserstraal wordt gesplitst in twee bundels die elk in een andere richting een lange tunnel worden ingestuurd. Aan de uiteinden daarvan worden de laserstralen teruggekaatst door spiegels om bij het beginpunt te worden opgevangen door een detector. Daar versterken ze elkaar of doven ze elkaar juist uit, afhankelijk van het verschil in de lengte van de weg die ze hebben afgelegd; dit verschijnsel heet interferentie. Een passerende zwaartekrachtgolf vervormt de ruimte-tijd, waardoor beide tunnels elk op hun eigen manier heel iets korter of langer worden. Daardoor verandert het weglengteverschil tussen de twee tunnels en dus ook het gemeten interferentiesignaal.
De Einstein Telescope krijgt de vorm van een driehoek, met drie tunnels en drie hoekpunten waar zich de laser- en detectorinstallaties bevinden. De tunnels zijn liefst tien kilometer lang, want hoe langer de afgelegde weg hoe nauwkeuriger kan worden gemeten. Dankzij de driehoeksvom zijn er drie aparte observatoria met twee tunnels; omdat ze elk een andere oriëntatie hebben, is er geen ‘dode hoek’.
R&D-regeling
Voor de financiering van het onderzoek aan nieuwe technologieën voor de Einstein Telescope is de R&D-regeling in het leven geroepen, als onderdeel van het ET valorisatieprogramma. Voor dit programma van de vier regionale ontwikkelingsmaatschappijen LIOF, BOM, Oost NL en InnovationQuarter, de ministeries van EZK en OCW en wetenschappelijk instituut Nikhef voert LIOF de regie. Het Nationaal Groeifonds heeft een bedrag van ruim twaalf miljoen euro beschikbaar gesteld voor de R&D-regeling. De regeling staat open voor individuele bedrijven en consortia van startups, mkb’ers, grote bedrijven en kennisinstellingen, en telt vijf calls. De eerste was voor trillingsvrij koelen.
De noodzaak van trillingsvrij koelen
Om de zeer zwakke signalen uit het heelal te kunnen detecteren, moeten de spiegels in de detector trillingsvrij worden gekoeld. De extreem lage temperaturen verminderen de thermische ruis in het meetsysteem, zodat zwaartekrachtgolven veel nauwkeuriger kunnen worden gemeten. Veel normale koelsystemen wekken echter trillingen op, zoals het ‘brommen’ van een koelkast. Die trillingen maken de metingen juist weer onnauwkeurig en moeten daarom worden voorkomen. Trillingsvrij koelen werkt zonder de bewegende onderdelen van een koelkastcompressor. In de koelcyclus wordt het koelmiddel, een gas, onder hoge druk gebracht (compressie) om vervolgens te expanderen. Daarbij koelt het gas af en als het langs het te koelen object stroomt, voert het gas warmte af. Compressie gebeurt met een materiaal zoals actieve kool, dat het koelmiddel kan opnemen (sorptie) om het na verwarming onder hogere druk weer vrij te geven (desorptie). Daar komen geen bewegende, trillingen veroorzakende onderdelen aan te pas.
