Helium Verflüssigungsanlage
Motivation
Da der Ankauf von flüssigem Helium sehr preisintensiv ist, betreibt das II. Physikalische Institut der RWTH Aachen als zentrale Einrichtung der Fachgruppe Physik eine Heliumverflüssigungsanlage, mit der das verwendete gasförmige Helium wieder verflüssigt werden kann. Die Gasverflüssigungsanlagen befinden sich in einem separaten Gebäude neben dem Physikzentrum, um eine Schwingungsbelastung der Labore zu minimieren.
In der Forschung wird verflüssigtes Helium als Kühlmittel zum Erreichen tiefer Temperaturen eingesetzt. 4He kondensiert bei 4,2K. Durch Verdampfungskühlen lassen sich aber Temperaturen bis etwa 800mK erreichen.
Heliumrückleitungssystem
Ein weit verzweigtes Rohrleitungsnetz im gesamten Physikzentrum verbindet die Heliumverbraucher (Laborräume) mit der 2017 neu aufgebauten Heliumrückgewinnungsanlage. Diese besteht aus einem 30000 Liter fassenden Gasballon, der als Helium-Zwischenspeicher dient, und zwei Hochdruckkompressoren, die das gasförmige Helium aus der Gasblase auf 200 bar komprimieren und in 29 Gasflaschenbündeln speichern. Dieser Speicher umfasst insgesamt knapp 3,5 Mio. Liter Heliumgas. Die Gasblase bleibt immer zu einem Drittel mit Gas gefüllt, damit in den Rückgasleitungen ein konstanter Überdruck von etwa 5 mbar vorliegt und somit keine Luft oder Fremdgase in das System eindringen können. Die elektronsche Füllstandsüberwachung erfolgt mittels Laser-Messtechnik. Aus den Gasbündeln bezieht der Heliumverflüssiger sein benötigtes Gasvolumen für den Verflüssigungsprozess.
Verflüssigung
Der Heliumverflüssiger der Firma Linde hat eine Verflüssigungsleistung von bis zu 22 Litern Helium pro Stunde, mit Flüssigstickstoff-Vorkühlung sogar bis zu 30 Liter. Vor der Verflüssigung wird das Gas von Verunreinigungen befreit und mittels adiabatischer Expansion in drei Temperaturstufen auf unter 4,2K abgekühlt. Das flüssige Helium wird dann in einem 4200 Liter fassenden Tank gespeichert. Aus diesen Tanks wird das Helium in 100 Liter Transportkannen abgefüllt und an die jeweiligen Verbraucher innerhalb der RWTH Aachen geliefert. Neben den physikalischen Instituten werden seit 2006 verschiedene Institute der Chemie, sowie der Halbleitertechnik mit flüssigem Helium versorgt. Die Jahres-Verflüssigungsleistung beträgt über 85000 Liter Flüssig-Helium.
Verluste
Bei der Nutzung des Heliumverflüssigers kommt es aus unterschiedlichsten Gründen zu Verlusten (Vorkühlen von Cryostaten, Gasreinigung, Diffusion bei der Lagerung in Gasbündeln, Leckagen etc.). Dieser Anteil wird dann als gasförmiges Helium am freien Markt nachgekauft. Die Verslustrate liegt bei jährlich etwa 5 Prozent Heliumgas.
Flüssighelium-Tank
Das verflüssigte Helium wird in einem 4200 Liter Tank gespeichert und mittels einer Abfüllstation in 100-Liter Helium-Dewar gefüllt.