Ziel der Entwicklung

Die Komplexität von Flüssighelium-Kryosystemen hat sich in den letzten Jahren aufgrund:
– des immer weiter verkleinerten Bauraums bei steigender räumlicher Positioniergenauigkeit sowie Stabilisierung und
– gleichzeitiger magnetischer Rauscharmut der verwendeten Materialien und
– Ressourcenschonung aufgrund der Heliumknappheit
stark erhöht. Der Anwendungsbereich wird maßgeblich durch Anforderungen aus dem Forschungsbereich von Material- und Materieuntersuchungen definiert. Beispiele dafür sind u. a. hyperpolarisierte Proben und NMR-Detektoren, die auch im kryogenen Betrieb exakt positioniert bleiben müssen, damit eine hohe Messqualität erreicht wird. Auch innerhalb von Teilchenbeschleunigern und supraleitenden Magnetsystemen bestehen hohe Anforderungen an Positionsstabilität und magnetische Rauscharmut verbauter Kryosystem-Materialien als Voraussetzung für einen ordnungsgemäßen Betrieb. Diese Beispiele zeigen, dass Positionsstabilisierung von Proben und Messsystemen innerhalb des Kryosystems sowie die daraus abgeleitete magnetische Rauscharmut externer und interner Quellen ein Schlüsselparameter für einen störungsfreien Betrieb sind. Diese Störungen müssen auf ein Minimum reduziert werden, um Abweichungen in der Qualität von Strahlungsquellen oder Messsignalen zu unterdrücken.
Weitere Einflussgrößen auf die Qualität von hochempfindlichen Mess- oder Sensorsystemen sowie Versuchsanordnungen bestehen im Bereich der Kryosysteme mit geschlossenem Kühlkreislauf. Die gegenläufigen Abgasströmungen im Vergleich zwischen einem Kryosystem mit geschlossenem Kühlkreislauf und einem Abdampf-Kryosystem verursachen Effekte auf die Mess- oder Sensorsysteme, die zwingend in die Betrachtung geschlossener Kryosysteme mit aufgenommen werden müssen. In Verbindung mit den unterschiedlichen Kältekontraktionen der verwendeten magnetisch rauscharmen Konstruktionsmaterialien besteht die Notwendigkeit, bei der Auslegung und Planung von geschlossenen Anlagen oder Versuchsanordnungen das Kryosystem als Ganzes von Anfang an im Vordergrund mitzubetrachten.
Aus Gesprächen mit Kunden sowie aus Diskussionen auf Fachseminaren und -veranstaltungen wird deutlich, dass verfügbare Kryosysteme mit einem geschlossenen Kühlkreislauf zwingend weiterentwickelt werden müssen, um den Wissenschaftlern weltweit neuartige Instrumente für die Generierung neuer fundamentaler Ergebnisse anbieten zu können.
Europaweit werden mögliche Marktbedarfe an folgenden Forschungseinrichtungen konkret gesehen:
– am GSI-Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH in Darmstadt für ultra-sensitive Strahlstrommessung für zukünftige Beschleunigeranlagen,
– an der Technischen Universität von Dänemark im Department of Electrical Engineering von Lyngby für hochwertige Signal-Rausch-Verhältnisse (signal-to-noise-ratio (SNR)) Messungen für die Magnetresonanz-Bildgebung (magnetic resonance imaging (MRI)),
– am Helmholtzzentrum Mainz für Materie-Antimaterie-Experimente,
– am Deutschen Zentrum für Herzinsuffizienz am Universitätsklinikum Würzburg im Department Kardiovaskuläre Bildgebung,
– an der TU Ilmenau zur Werkstoffforschung in oder mit Magnetfeldern,
– am DESY in Hamburg, Materialforschung mittels Freiem Elektronen Laser.
Diese Beispiele repräsentieren nur einen Teil an Forschungszentren, mit denen Gespräche zum geplanten FuE-Vorhaben geführt wurden. Hauptsächlich stützt sich dieses FuE-Vorhaben auf die Forschungsarbeit im Bereich der SQUID-Sensoren der Supracon AG. Aus einer Vielzahl von Gesprächen mit der Firma wird deutlich, dass im Bereich der Herzdiagnostik SQUID-Systeme an der Schwelle zur klinischen Einsatzfähigkeit stehen. Ein entscheidender Knackpunkt in der Entwicklung ist allerdings noch das notwendige Kryosystem, um die Sensorik magnetisch rauscharm kühlen und betreiben zu können.

Vorteile und Lösungen

Mit dem FuE-Vorhaben war das Ziel verbunden, ein geschlossenes Flüssighelium-Kryosystem aus unterschiedlichen magnetisch rauscharmen Materialien anhand einer Systematik, gestützt durch Simulationen und Berechnungen, entwickeln zu können. Proben und / oder kryogene Sensorik sollen im Raum positions- und lagestabil sowie bei Bedarf unabhängig von Winkelabhängigkeiten angeordnet und befestigt werden können.
Ein Schwerpunkt dieses Vorhabens bestand in der Entwicklung und Designauslegung eines geschlossenen Flüssighelium-Kryosystems durch Anbindung eines Kryokühlerkaltkopfs im Halsrohrverbund. Durch die feste Verbindung von kryogenem und Raumtemperatur-Bereich waren Positions- und Schwingungsanalysen mittels FEM-Simulationen zwingend notwendig. Ein weiterer Aspekt bei der Bearbeitung war die Berechnung und Zusammenstellung von Materialdatensätzen zur Kältekontraktion unterschiedlicher Materialien, die für die Bewertung von Konstruktionsdesigns in der FEM-Simulation benötigt werden.
Weiterhin wurden mit der Auslegung der Lageunabhängigkeit des Systems konkrete Lösungen für Proben- und / oder kryogene Sensorikhalter erarbeitet, welche im Raum positions- und lagestabil sowie bei Bedarf unabhängig vom Raumwinkel angeordnet und befestigt werden können. Die Lageunabhängigkeit erfordert zudem eine Kontrolle des Flüssigheliumniveaus im Kryosystem. Geeignete Füllstandsensoren wurden bewertet und erprobt, um in möglichst jeder Lage des Kryosystems einen Füllstand des Kühlmediums messen zu können.
Der Antragsteller verfolgt letztendlich das Ziel, eine Auslegungs-Systematik, basierend auf diesen grundlegend zu ermittelnden Parametern für die Auslegung von geschlossenen Kryosystemen, zu entwickeln. Ein darauf basierendes, zu fertigendes Kryosystem soll messtechnisch untersucht werden, um die Gültigkeit der Auslegungs-Systematik zu validieren.
Für die formulierte Zielstellung sind folgende Maßnahmen umzusetzen:
– Grundsätzliche Entwicklung von Designvarianten eines geschlossenen Flüssighelium-Kryosystems durch Anbindung eines Kryokühlerkaltkopfs im Halsrohrverbund.
– Theoretische und experimentelle Erarbeitung von spezifischen Materialdatensätzen für den Tieftemperaturbereich, die vorrangig in Betracht kommen (u.a. PEEK und GFK).
– Durchführung von Analysen im kryogenen Bereich durch Simulationen von Bauteilen.
– Festlegung der Vorzugsdesignvariante „Geschlossenes Kryosystem“, Detailkonstruktion und Aufbau dieser zum Funktionsmuster.
– Auslegungen von GFK- oder CFK-Komponenten können mittels Berechnungen nach der klassischen Laminattheorie mit dem Programm ELAMX2 unterstützt werden.
– Für eine Präzisionspositionierung und / oder Schwingungsminimierung sind sowohl externe (z.B. Mikrometerschrauben, Gasfedern u.a.) als auch interne Maßnahmen (z.B. mechanische Fixierungen, Wärmeschalter u.a.) denkbar.
– Darüber hinaus ist das Kryosystem in seiner Gesamtheit zu betrachten. Daher sind äußere Haltevorrichtungen mit Korrekturmöglichkeit für den gesamten Aufbau mit zu beachten und einzubeziehen.
Am Ende des FuE-Vorhabens steht ein realisiertes Design für ein Kryosystem einschließlich verschiedener Manipulationsmöglichkeiten zur Sicherung der störungsfreien Funktion des Gesamtsystems unter Betriebsbedingungen zur Verfügung. Damit konnte das FuE-Vorhaben ein Verfahren (Auslegungs-Systematik) etablieren, zukünftige Designentwürfe geschlossener Flüssighelium-Kryosysteme zu analysieren und auch Maßnahmen zur vibrationsarmen bzw. magnetisch rauscharmen Bauweise ableiten zu können.

Zielgruppe und Zielmarkt

Das wesentliche Entwicklungsziel des Vorhabens war die Realisierung einer Auslegungs-Systematik für lageunabhängige magnetisch rauscharme Flüssighelium-Kryostatierungen mit geschlossenem Kühlkreislauf, welche den permanenten Verbrauch des Kühlmittels (Flüssighelium) vermeidet. Geschlossene Flüssighelium-Kryostatierungen befanden sich bereits am Markt (z.B. angeboten von der Fa. Siemens Healthcare GmbH), ihre kundenorientierte Anpassung an unterschiedliche Sensoren / Proben als auch die Lageunabhängigkeit des Systems ist aber mit diesen Systemen nicht umsetzbar. Neben klassischen Abdampf-Kryostatierungen mit diskontinuierlichen / geringen Kühlzeiten bestand auch ein Bedarf an kompakten Kühllösungen für kommerzielle als auch FuE Anwendungen mit hohem Energiebedarf, beispielsweise in Material- und in der (Bio-)Materieuntersuchung.
Weiterhin kann die Systemlösung für weitere kryogene Anwendungen, insbesondere solche mit diskontinuierlichem Kältebedarf, eingesetzt werden. Hier sind beispielsweise mobile kryogen zu kühlende Sensoren für geologische Untersuchungen zu nennen. Die Kombination mit einem kryogenen Flüssigkeitsvorrat, welcher über einen längeren Zeitraum erzeugt wird, bietet den Vorteil einer kontinuierlich geringeren Kühlleistung, als sie dann kurzzeitig für die Anwendung benötigt wird. Daraus resultieren Vorteile in Effizienz und Wirtschaftlichkeit.
Darüber hinaus kann auch die Medizinbranche von diesem anpassungsfähigen Kryosystem profitieren. Mit dem Kryosystem können z.B. hochempfindliche SQUID-Sensoren, wie sie für die Magnetokardiographie benötigt werden, kaltgehalten werden. Dabei können Wärmeeinträge über die Struktur der Behälter verringert und Verluste durch abdampfendes LHe rückverflüssigt werden. Das Kryosystem muss für den Einsatz im medizinischen Bereich weiterentwickelt werden; der Aufwand ist hier aufgrund der Anforderung und Zertifizierung deutlich größer, allerdings kann das Kryosystem aufgrund des hohen Entwicklungsreifegrads von SQUID-Sensoren im Bereich der Herzdiagnostik in den kommenden Jahren eine breite Anwendung finden.
Das ILK Dresden beabsichtigt, die Technologie des geschlossenen Kryosystems zusammen mit einem Industriepartner beispielsweise aus dem Bereich der Sensorik zu vermarkten. Hierfür kommt insbesondere die Fa. Supracon AG in Jena in Frage, mit der seit vielen Jahren eine erfolgreiche Zusammenarbeit besteht. Seitens ILK Dresden soll dabei von der gemeinsamen Weiterentwicklung der kalten Sensorik hin zur Serientauglichkeit profitiert werden. Weiterhin ist nach Vorhabensabschluss geplant, an der Auslegung angepasster Kryosysteme und der Dimensionierung seiner Komponenten in Kooperation mit dem Industriepartner beteiligt zu sein.
Neben den zuvor beschriebenen Transfer- und Ingenieurleistungen ist vom Antragsteller die langfristige Mitwirkung an Sonderlösungen im Zusammenhang mit der Auslegungs-Systematik geplant. Dies betrifft Anwendungen wie z.B. Adaptionen der Kabelführungen zur Verringerung von Wärmeeinträgen und Montageschwierigkeiten.
Darüber hinaus sollen Komponenten wie der thermische Schild oder der Sensorhalter singulär vermarktet werden. Mögliche Zielgruppen dafür sind unter anderem Universitäten und Großforschungszentren weltweit, für welche kontinuierlich komplexe Fragestellungen zu bearbeiten sind. Mit den Komponenten aus der Entwicklung kann das ILK Dresden hierzu zusätzliche und verbesserte Lösungen in einem bestehenden Markt anbieten.
Wie bereits angedeutet, existieren am Markt zahlreiche Kryostatanbieter. Die Produktpalette der Anbieter umreißt aber immer nur ein ausgewähltes Spektrum, wie beispielsweise bei der Firma KGW-Isotherm Karlsruher Glastechnisches Werk – Schieder GmbH deutlich zu sehen ist. Auf der anderen Seite haben sich auch Sensorhersteller Gedanken gemacht, wie sie ihre empfindlichen Produkte einsetzen können, so dass sie in einer magnetisch rauscharmen Umgebung ihre Messqualität ausspielen können. Aus Gesprächen mit der Firma Supracon AG wurde deutlich, wie schwierig es jedoch für sie ist, sich auf einem anderen Markt auszuprobieren. Die eigentliche Wettbewerbssituation magnetisch rauscharmer Flüssighelium-Kryostatierungen mit geschlossenem Kühlkreislauf spiegeln dagegen nur wenige Großgerätehersteller wie z.B. die Firma Siemens Healthcare GmbH wieder. Produkte wie Magnetresonanztomographen sind am Markt etabliert, decken aber nur einen sehr geringen Marktanteil ab. Die Flexibilität dieses Systems und die kundenorientierte Anpassung einer magnetisch rauscharmen Flüssighelium-Kryostatierung hinsichtlich Lageorientierung und Sensor- / Probenortgestaltung existiert am Markt nicht und soll mit dem Ergebnis aus dem FuE-Vorhaben dem Markt angeboten werden.