Neuland

Die Vermessung der Kälte

Wie Steffen Grohmann zusammen mit der WEKA AG einen Sensor baut, der mit konstant falschen Messungen zu richtigen Ergebnissen kommt.

Am liebsten würden Forscher alles auf die Waage legen. Dann könnten sie ohne Umwege herausfinden, was ein Neutrino wiegt. Und sie wüssten genau, wie viel Gramm Helium pro Sekunde durch eine Rohrleitung strömt.

Professor Steffen Grohmann interessiert sich in erster Linie für das Helium-Problem. Er ist Ingenieur für Kälte- und Kryotechnik und damit Experte für die Erzeugung sehr tiefer Temperaturen. Der Wissenschaftler arbeitet am Institut für Technische Thermodynamik und Kältetechnik sowie am Institut für Technische Physik. „Leider existieren für die Durchflussmessung in der Kryotechnik keine kommerziellen Sensoren“, erklärt Grohmann. Dabei gäbe es durchaus einen großen Bedarf für solche Messgeräte. Die Kryotechnik wird nämlich überall dort benötigt, wo Supraleiter im Einsatz sind, zum Beispiel für den Betrieb von Teilchenbeschleunigern und in zukünftigen Fusionsreaktoren. Die Wasserstofftechnologie und die Gewinnung von Sauerstoff und Edelgasen aus der Luft basieren ebenfalls auf Kryotechnik.

Auch am Projekt KATRIN, einer riesigen Anlage zur Bestimmung der Masse des Neutrinos, sind die Wissenschaftler auf Kryotechnik angewiesen. Die Neutrinomasse spielt in der Kosmologie eine wichtige Rolle, da die leicht zu unterschätzenden Teilchen die Entwicklung des Universums mitgestalten – vom Urknall bis heute. Die genaue Kenntnis der Eigenschaften der Neutrinos könnte Physikern zudem helfen, zu enträtseln, wie andere Elementarteilchen zu ihrer Masse gekommen sind. Da Neutrinos praktisch ungehindert und ohne Spuren zu hinterlassen durch Materie hindurchfliegen, muss ihre Masse mit einer sehr speziellen und empfindlichen Waage gemessen werden.

Neutrinos entstehen beispielsweise beim Zerfall von Tritium, auch superschwerer Wasserstoff genannt. Beim KATRIN-Experiment wird das Tritium auf eine Temperatur von 30 Kelvin gekühlt, das entspricht etwa minus 243 Grad Celsius. Tieftemperaturtechnik kommt bei dem Experiment noch an anderer Stelle zum Einsatz: Die beim Tritiumzerfall entstehenden Elektronen werden mithilfe von supraleitenden Elektromagneten durch das 70 Meter lange Experiment transportiert. Zur Kühlung dieser Supraleiter verwenden Kryotechniker flüssiges Helium, das auf nur 4 Kelvin heruntergekühlt wurde.

„Es ist spannend zu sehen, wie das von uns entwickelte, vollkommen neuartige Messprinzip in einem Produkt umgesetzt wird.“

Professor Steffen Grohmann

Viele der heute auf dem Markt verfügbaren Durchflusssensoren sind für Anwendungen bei Umgebungstemperatur gedacht. Wie für alle anderen Messgeräte, gelten auch hier strenge Vorschriften zur Messunsicherheit: Die Geräte müssen vom Hersteller in akkreditierten Laboren kalibriert werden. Im Fall von kryotechnischen Anwendungen ist dies jedoch nicht praktikabel, denn die gesamte kryotechnische Infrastruktur müsste im Kalibrierlabor aufgebaut und betrieben werden, was mit enormen Kosten verbunden wäre.

„Wir haben am KIT ein völlig neues Messprinzip entwickelt. Damit wird es möglich, Sensoren zu bauen, die sich während des laufenden Betriebs selbst kalibrieren können. Solche Sensoren sind zudem lernfähig, denn mit jeder vorgenommenen Kalibrierung nimmt die Messunsicherheit ab“, erklärt der Ingenieur Grohmann. Das Prinzip basiert auf zwei unabhängigen und physikalisch exakten Gleichungen, die beschreiben, wie sich der Massenstrom aus den Messgrößen Temperatur und Heizleistung eines Wärmeübertragers berechnen lässt. Zur Bestimmung des tatsächlichen Massenstroms wird die Streuung der Ergebnisse beider Gleichungen minimiert. Ein Vorteil des Verfahrens ist, dass die Größe der systematischen Fehler keine Rolle spielt. „Ich muss Temperaturen und Heizleistung gar nicht genau messen. Eine konstant falsche Messung führt trotzdem zu richtigen Ergebnissen“, sagt Grohmann. Durch geschickte Auswertung ist es nämlich möglich, die systematischen Fehler zu eliminieren und somit die Messunsicherheit des Massenstroms unter einem Prozent zu halten.

Diese für die Messtechnik revolutionäre Idee hat Grohmann 2011 zum Patent angemeldet und ein Jahr später beim KIT-Innovationswettbewerb NEULAND eingereicht. Das daraus entstandene Projekt „Entwicklung eines Durchflusssensors für kryotechnische Anwendungen“ hat 2014 den ersten Platz des NEULAND-Sonderpreises für Technologietransferprojekte gewonnen. Unterstützt vom KIT-Innovationsmanagement hat der Kryotechniker Grohmann einen geeigneten Industriepartner zur Produktentwicklung gefunden: Seit 2013 ist die Schweizer Firma WEKA AG Partner in einem auf zwei Jahre angelegten Technologietransferprojekt, das auch vom KIT-Innovationsfonds finanziell gefördert wird. „Aus eigener Kraft hätten wir insbesondere die aufwändige Entwicklung der Elektronik nicht stemmen können. Ein Technologietransferprojekt ist daher gerade für uns als mittelständisches Unternehmen ideal“, sagt Michael Börsch, Projektleiter der WEKA AG. Das Unternehmen ist auf die Herstellung von Ventilen und Messgeräten für kryotechnische Anwendungen spezialisiert. „Der Sensor, der gemeinsam mit dem KIT entwickelt wird, ergänzt unser Produktportfolio perfekt“, sagt Fridolin Holdener, Senior Manager bei WEKA.

Inzwischen läuft die Entwicklung eines Prototyps des Sensors. Da es für Durchflusssensoren zur Anwendung in der Kryotechnik keine kommerziellen Alternativen gibt, ist die Wettbewerbssituation sehr vorteilhaft. Die Projektpartner können sich zunächst voll auf die Entwicklung der Technik konzentrieren. Potenzielle Kunden für den Sensor kommen vor allem aus der Tieftemperatur-Verfahrenstechnik und der Wissenschaft. Das Messprinzip funktioniert aber ebenso für Anlagen, die bei Umgebungstemperatur betrieben werden. Langfristig könnte das Produkt daher die klassische Mess- und Regeltechnik in der Verfahrenstechnik ergänzen.

Die Vielseitigkeit des KIT ist bei einem so interdisziplinären Projekt ein großer Vorteil. Neben dem Institut für Technische Thermodynamik und Kältetechnik und dem Institut für Technische Physik ist das Institut für Prozessdatenverarbeitung und Elektronik beteiligt. Im KATRIN-Experiment soll der Sensor künftig zur Messung des Tritiumflusses verwendet werden. So können auch Experimente in der Grundlagenforschung Produktideen hervorbringen und zu deren Umsetzung beitragen.

Vielleicht wissen die KIT-Wissenschaftler dann in ein paar Jahren nicht nur ganz genau, wie viel Gas durch die Rohrleitungen strömt sondern auch, wie schwer Neutrinos sind und welche Rolle sie in der kleinen Welt der Elementarteilchen und im großen, weiten Universum spielen.

Prototyp eines Durchflusssensors für kryotechnische Anwendungen
Prototyp des am KIT gemeinsam mit der WEKA AG entwickelten Durchflusssensors für kryotechnische Anwendungen