Kryopumpen für die Forschung

Von Keefe Borden, 6. Februar 2023

Die Kryopumpen von Vanzetti Engineering wurden für das Aria-Projekt des Nationalen Instituts für Kernphysik (INFN) in Zusammenarbeit mit Carbosulcis SpA, einem Unternehmen der Region Sardinien, ausgewählt. Das Projekt besteht aus einem kryogenen Destillationsturm zur Herstellung hochreiner, angereicherter stabiler Isotope. Die Kryopumpen sind Komponenten des Hilfskreislaufs der Anlage, der den flüssigen Stickstoff in der Primärdestillationseinheit für hochreines Argon umwälzt.

Das Aria-Projekt umfasst den Bau eines kryogenen Destillationsturms auf Sardinien zur Herstellung hochreiner, angereicherter stabiler Isotope. Das Aria-Projekt ist ein integraler Bestandteil des DarkSide-20k-Experiments, das in den Gran Sasso National Laboratories (LNGS) des National Institute for Nuclear Physics (INFN) durchgeführt wird und dessen Ziel es ist, dunkle Materie direkt nachzuweisen. Dunkle Materie, deren Natur noch unbekannt ist, stellt den größten Teil der Materie dar, aus der unser Universum besteht, wo sie fünfmal häufiger vorkommt als gewöhnliche Materie, aus der alles besteht, was wir heute sehen können. Das Verständnis seiner Natur ist daher eines der Hauptforschungsgebiete im Bereich der Grundlagenphysik, da es einen wesentlichen Beitrag zum Verständnis der Kosmologie, Physik und Astrophysik leisten würde.

Das DarkSide-20k-Experiment wird von der International DarkSide Collaboration durchgeführt und umfasst über 500 Forscher von Universitäten und Forschungsinstituten auf der ganzen Welt. Für das Experiment wird ein Detektor verwendet, der flüssiges Argon als Szintillationsflüssigkeit für die WIMP-Wechselwirkung (Weakly Interacting Massive Particle) verwendet. Einigen Theorien zufolge ist diese besondere Art von Teilchen einer der vielversprechendsten Kandidaten für die Bildung dunkler Materie. Zur Durchführung dieses Experiments sind große Mengen an abgereichertem Argon, also ohne Isotop 39, erforderlich. Dies hat zur Entwicklung zweier DarkSide-bezogener Projekte geführt: Urania und Aria. Bei der ersten handelt es sich um den Bau einer derzeit im Bau befindlichen Anlage in Colorado, wo sich unter der Erde eine Quelle für sauberes Argon befindet, die vor kosmischer Strahlung geschützt und daher nicht durch diese kontaminiert ist. Das Urania-Projekt (ebenfalls im Besitz von INFN) ermöglicht die Gewinnung des abgereicherten Argons, das dann nach Sardinien transportiert wird, wo es durch die Destillationskolonne des Aria-Projekts weiter gefiltert und gereinigt wird. Schließlich wird das reine Argon zur Durchführung von Forschungsarbeiten in den DarkSide-20-Detektor in den Gran Sasso National Laboratories eingebracht.

„Der Hauptzweck der Destillationskolonne des Aria-Projekts besteht darin, Argon für das DarkSide-Experiment zu produzieren. Da sie jedoch die Herstellung stabiler Isotope (wie Sauerstoff 18, Kohlenstoff 12, Stickstoff 15 und möglicherweise andere) ermöglicht, ist sie auch von bedeutender industrieller Bedeutung und kommerziellem Interesse", erklärt Federico Gabriele, technischer Koordinator des Projekts und INFN-Forscher. „Stabile Isotope werden in verschiedenen Anwendungen eingesetzt, beispielsweise in der Nuklearmedizin für die medizinische Diagnostik, im ökologischen Landbau oder in der Präzisionsmikroelektronik. Diese Substanzen werden derzeit weltweit nur in wenigen Anlagen und mit verschiedenen Methoden hergestellt, beispielsweise durch Zentrifugation, für die große Mengen an Isotopen erforderlich sind.“ Energie. Das Aria-Projekt hingegen nutzt die relative Flüchtigkeit zwischen diesen Substanzen aus – tatsächlich erfolgt die Destillation durch Trennung der Isotope nach ihrem Flüchtigkeitskoeffizienten – was eine erhebliche Reduzierung der Produktionskosten ermöglicht Derzeit liegt die Menge an Stoffen in der Größenordnung von einigen Dutzend Kilo und der Markt wächst schnell. Man erkennt die Bedeutung des Projekts und das beträchtliche Potenzial dieser Anlage, die in ihrer Art und Größe schon jetzt einzigartig sein wird Industrieniveau".

Das im Jahr 2015 gestartete Aria-Projekt erfordert einen etwa 350 Meter tiefen Brunnen zur Verankerung der Destillationskolonne, da es unmöglich wäre, oberirdisch eine Stützstruktur mit ähnlichen Abmessungen zu errichten. Aus diesem Grund wurde beschlossen, den 350 Meter tiefen Schacht eines Kohlebergwerks in der Provinz Südsardinien zu nutzen, das von der Carbosulcis SpA betrieben wird, die sich im Besitz der Region Sardinien befindet.

„Die Prototypenanlage Seruci 0, benannt nach dem Bergbaustandort, befindet sich derzeit im Bau. Dabei handelt es sich um eine Kolonne im kleineren Maßstab als die, die im endgültigen System verwendet wird“, erklärt Federico Gabriele. „Anstelle der 28 zentralen Module des endgültigen Systems besteht diese Kolonne aus einem einzigen zentralen Modul, einem oberen Modul und einem unteren Modul und wird oberirdisch statt unterirdisch installiert. Die gesamte für den Betrieb der Kolonne erforderliche Ausrüstung ist dieselbe.“ wie diejenigen, die für die endgültige Anlage Seruci 1 verwendet werden. Sobald alle Tests abgeschlossen sind und die Stützstrukturen im Schacht installiert sind, wird Seruci 0 demontiert und am endgültigen Installationsort mit den vorgesehenen 28 Modulen wieder aufgebaut durch das Projekt und mit einer Gesamthöhe von etwa 350 Metern.“

Das Abschlussprojekt umfasst den Bau der Destillationskolonne, dem Kernstück des Systems, und des Flüssigstickstoff-Kühlsystems. Die von Vanzetti Engineering bereitgestellte Ausrüstung besteht aus zwei Flüssigstickstoff-Druckerhöhungspumpen, die den flüssigen Stickstoff vom Boden zum oberen Ende der Kolonne bewegen und im Hilfskühlkreislauf installiert sind. Diese beiden identischen kryogenen Kolbenpumpen der VT-1-Serie dienen als gegenseitige Unterstützung. Kurz gesagt beinhaltet dieser Prozess den kontinuierlichen Wärmeaustausch zwischen zwei kryogenen Flüssigkeiten, der den natürlichen Übergang der schwereren Argonschichten innerhalb der Säule bewirkt. Diese Bewegung fördert durch wiederholte Verdampfungs- und Kondensationszyklen die extreme Reinigung des Argons, deren letztendliches Ziel darin besteht, unerwünschte Substanzen zu entfernen, die die Ergebnisse der wissenschaftlichen Experimente mit dunkler Materie beeinträchtigen könnten.

Die Kryopumpen sind eines der wenigen Elemente des Systems, die am Boden des Minenschachts installiert sind. Die Wahl fiel auf die VT-1-Pumpen von Vanzetti Engineering, weil sie nicht nur eine Förderhöhe von 350 Metern garantieren, sondern auch in geschlossenen Umgebungen mit hoher Luftfeuchtigkeit perfekt und kontinuierlich (24/24) arbeiten können.

Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff sind kleine Moleküle, die für Leben, Materie und Energie unerlässlich sind. Heute ist Vanzetti Engineering ein anerkannter italienischer Lieferant von Kryopumpen und -systemen für viele wichtige Projekte, die nicht nur auf Flüssigerdgas (LNG), sondern auch auf atmosphärischen Gasen basieren. Um die Marktnachfrage nach Geräten zur Gassteuerung, -speicherung und -regulierung zu befriedigen, stellt Vanzetti Engineering Pumpen und Pumpsysteme für den Transfer von kryogenen Flüssigkeiten her, die aus der atmosphärischen Destillation von Luft bei sehr niedrigen Temperaturen gewonnen werden. Zu den Bestandteilen der Luft gehören Stickstoff, Sauerstoff, Argon, Kohlendioxid und andere Gase, die als Industrie- oder Atmosphärengase bezeichnet werden.

Abhängig von den Durchfluss- und Druckanforderungen ist Vanzetti Engineering in der Lage, sowohl Hubkolbenpumpen als auch ein- und mehrstufige Kreiselpumpen, externe oder Tauchpumpen, zu liefern. Das Unternehmen mit Sitz in der Provinz Cuneo im Piemont betreut eine Vielzahl von Kunden in verschiedenen Märkten: Gaslösungen für die Industrie, Wärmebehandlung, Schweißen und Schneiden, Vergasung, Sauerstoffverbrennung, Wasseraufbereitung, Einfrieren und Kühlen von Lebensmitteln, Verpackung, petrochemische Synthese, medizinische Sauerstoffversorgung, Elektronik, alternative Energie.

Vanzetti Engineering SpA wurde 1984 gegründet und ist das einzige italienische Unternehmen, das sich mit der Entwicklung und dem Bau von kryogenen Anlagen für Flüssigerdgas (GNL) und Luftgas beschäftigt. Vanzetti Engineering bietet eine breite Produktpalette, die alle Anwendungen nach der LNG-Wertschöpfungskette abdeckt.

Das 12.000 m2 große Werk wurde 2015 eingeweiht und beherbergt Produktionsabteilungen für Kryopumpen und Skids; Dadurch konnte das Unternehmen seine Produktionskapazität deutlich steigern.