Kryogene Pumpen für Forschungszwecke

(Bild: Vanzetti Engineering.)

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 umfasst einen Kryodestillationsturm zur Herstellung hochreiner angereicherter stabiler Isotope. Die Kryopumpen sind Bestandteile des Hilfskreislaufs der Anlage, der den flüssigen Stickstoff in der Primärdestillationsanlage für hochreines Argon umwälzt.

Das Aria-Projekt umfasst den Bau eines Kryo-Destillationsturms auf Sardinien zur Herstellung hochreiner, angereicherter stabiler Isotope. Es ist integraler Bestandteil des DarkSide-20k-Experiments, das an den Gran-Sasso-Nationallaboratorien (LNGS) des Nationalen Instituts für Kernphysik (INFN) durchgeführt wird und dessen Ziel der direkte Nachweis Dunkler Materie ist. Dunkle Materie, deren Natur noch unbekannt ist, macht den größten Teil der Materie in unserem Universum aus und ist fünfmal häufiger als die gewöhnliche Materie, aus der alles Sichtbare besteht. Das Verständnis ihrer Natur ist daher eines der Hauptforschungsgebiete der Grundlagenphysik, da es einen bedeutenden Beitrag zum Verständnis von 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 weltweit. Für das Experiment wird ein Detektor verwendet, der flüssiges Argon als Szintillationsflüssigkeit für die Wechselwirkung von WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles) nutzt. Laut einigen Theorien zählt diese Teilchenart zu den vielversprechendsten Kandidaten für die Zusammensetzung der Dunklen Materie. Um dieses Experiment durchzuführen, werden große Mengen an abgereichertem Argon, d. h. ohne das Isotop 39, benötigt. Dies führte zur Entwicklung zweier mit DarkSide verwandter Projekte: Urania und Aria. Urania umfasst den Bau einer Anlage in Colorado, die sich derzeit im Bau befindet. Dort befindet sich eine unterirdische Quelle für reines Argon, geschützt vor kosmischer Strahlung und somit frei von Verunreinigungen. Das ebenfalls dem INFN gehörende Urania-Projekt ermöglicht die Gewinnung von abgereichertem Argon, das anschließend nach Sardinien transportiert und dort in der Destillationskolonne des Aria-Projekts weiter gefiltert und gereinigt wird. Schließlich wird das reine Argon in den DarkSide-20-Detektor der Gran-Sasso-Nationallaboratorien für Forschungszwecke eingeleitet.

Das Aria-Projekt

„Der Hauptzweck der Destillationskolonne des Aria-Projekts ist die Argonproduktion für das DarkSide-Experiment. Da sie jedoch die Herstellung stabiler Isotope (wie Sauerstoff-18, Kohlenstoff-12, Stickstoff-15 und möglicherweise weitere) ermöglicht, ist sie auch von erheblichem industriellem und kommerziellem Interesse“, erklärt Federico Gabriele, Technischer Koordinator des Projekts und Forscher am INFN. „Stabile Isotope finden in verschiedenen Anwendungsbereichen Verwendung, 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, energieintensiven Methoden wie der Zentrifugation hergestellt. Das Aria-Projekt hingegen nutzt die unterschiedliche Flüchtigkeit dieser Substanzen – die Destillation erfolgt durch Trennung der Isotope anhand ihres Flüchtigkeitskoeffizienten – und ermöglicht so eine erhebliche Reduzierung der Produktionskosten. Angesichts der Tatsache, dass die tägliche Produktionsmenge dieser Substanzen derzeit im Bereich von einigen zehn Kilogramm liegt und der Markt rasant wächst, wird die Bedeutung des Projekts und das beträchtliche Potenzial dieser Anlage deutlich, die hinsichtlich ihrer Art und Größe selbst auf industrieller Ebene einzigartig sein wird.“

Das 2015 gestartete Projekt Aria benötigt einen rund 350 Meter tiefen Schacht zur Verankerung der Destillationskolonne, da der Bau einer oberirdischen Stützkonstruktion mit vergleichbaren Abmessungen unmöglich wäre. Aus diesem Grund entschied man sich für den 350 Meter tiefen Schacht eines Kohlebergwerks in der Provinz Südsardinien, das von der Carbosulcis SpA, einem Unternehmen im Besitz der Region Sardinien, betrieben wird.

„Die Prototypanlage Seruci 0, benannt nach dem Minenstandort, befindet sich derzeit im Bau. Es handelt sich um eine verkleinerte Säule im Vergleich zur Anlage des endgültigen Systems“, erklärt Federico Gabriele. „Anstelle der 28 zentralen Module des endgültigen Systems besteht diese Säule aus einem zentralen Modul, einem oberen und einem unteren Modul und wird oberirdisch statt unterirdisch installiert. Die gesamte für den Betrieb der Säule benötigte Ausrüstung ist identisch mit derjenigen der endgültigen Anlage Seruci 1. Sobald alle Tests abgeschlossen und die Stützkonstruktionen im Schacht installiert sind, wird Seruci 0 demontiert und am endgültigen Installationsort mit den im Projekt vorgesehenen 28 Modulen und einer Gesamthöhe von etwa 350 Metern wieder aufgebaut.“

Kryogene Pumpen für flüssigen Stickstoff

Das Abschlussprojekt umfasst den Bau der Destillationskolonne, dem Kernstück des Systems, und des Flüssigstickstoff-Kühlsystems. Die von Vanzetti Engineering gelieferte Ausrüstung besteht aus zwei Flüssigstickstoff-Boosterpumpen, die den Flüssigstickstoff vom Boden bis zum Kopf der Kolonne befördern und im Hilfskühlkreislauf installiert sind. Diese beiden identischen, kryogenen Kolbenpumpen der Serie VT-1 dienen als Backup. Vereinfacht ausgedrückt, beinhaltet dieser Prozess den kontinuierlichen Wärmeaustausch zwischen zwei kryogenen Fluiden, wodurch die schwereren Argonschichten innerhalb der Kolonne auf natürliche Weise verdampfen. Diese Bewegung, durch wiederholte Verdampfungs- und Kondensationszyklen, fördert die extreme Reinigung des Argons. Ziel ist es, unerwünschte Substanzen zu entfernen, die die Ergebnisse der wissenschaftlichen Experimente zur Dunklen Materie verfälschen könnten.

Die Kryopumpen gehören zu den wenigen Systemkomponenten, die am Grund des Minenschachts installiert sind. Die Wahl fiel auf die VT-1-Pumpen von Vanzetti Engineering, da sie neben einer Förderhöhe von 350 Metern auch in geschlossenen Umgebungen mit hoher Luftfeuchtigkeit einwandfrei und kontinuierlich (24/7) arbeiten können.

BOX: Kryogene Systeme für atmosphärische Gase

Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff sind kleine Moleküle, die für Leben, Materie und Energie unerlässlich sind. Vanzetti Engineering ist heute ein anerkannter italienischer Lieferant von Kryopumpen und -systemen für zahlreiche wichtige Projekte, die nicht nur auf Flüssigerdgas (LNG) , sondern auch auf atmosphärischen Gasen basieren. Um die Marktnachfrage nach Anlagen zur Gaskontrolle, -speicherung und -regelung zu decken, fertigt Vanzetti Engineering Pumpen und Pumpensysteme für den Transfer von Kryoflüssigkeiten, die durch atmosphärische Luftdestillation bei sehr niedrigen Temperaturen gewonnen werden. Luft besteht unter anderem aus Stickstoff, Sauerstoff, Argon, Kohlendioxid und weiteren Gasen, die als Industrie- oder atmosphärische Gase bekannt sind.

Je nach Fördermenge und Druckbedarf liefert Vanzetti Engineering sowohl Kolbenpumpen als auch ein- und mehrstufige Kreiselpumpen, sowohl für den Außeneinsatz als auch für den Tauchbetrieb. Das Unternehmen mit Sitz in der Provinz Cuneo im Piemont betreut zahlreiche Kunden in verschiedenen Branchen: Gaslösungen für die Industrie, Wärmebehandlung, Schweißen und Schneiden, Vergasung, Sauerstoffverbrennung, Wasseraufbereitung, Gefrieren und Kühlen von Lebensmitteln, Verpackung, petrochemische Synthese, medizinische Sauerstoffversorgung, Elektronik und alternative Energien.

Vanzetti Engineering SpA wurde 1984 gegründet und ist das einzige italienische Unternehmen, das sich mit der Entwicklung und dem Bau von Kryoanlagen für Flüssigerdgas (LNG) und Luftgas befasst. Vanzetti Engineering bietet ein breites Produktsortiment für alle Anwendungen entlang der LNG-Wertschöpfungskette.

Das 12.000 m² große Werk, das 2015 eingeweiht wurde, beherbergt Fertigungsabteilungen für Kryopumpen und -anlagen; dies hat es dem Unternehmen ermöglicht, seine Produktionskapazität deutlich zu erhöhen.