Honderd jaar Leiden koudste plaats op aarde

Door letatcest op dinsdag 8 juli 2008 16:28 - Reageren is niet meer mogelijk
Categorieën: technologie, wetenschap, Views: 1.639

Honderd jaar geleden slaagde Heike Kamerlingh Onnes er als eerste in heliumgas vloeibaar te maken. Leiden werd daarmee de koudste plaats op aarde. Donderdag 10 juli wordt met de onthulling van een borstbeeld en de opening van verschillende tentoonstellingen hierbij uitgebreid stil gestaan.
http://lh4.ggpht.com/_JtMFCPrwCyk/SM4b_N11AII/AAAAAAAABA4/IU-2ChE3pYI/s144/ImageDisplay.php.jpg
Foto: Gerrit Jan Flim (links) en Heike Kamerlingh Onnes bij de installatie voor vloeibaar helium. Foto Leiden Institute of Physics.
Koudste plekje
Vrijdag 10 juli 1908 was een zeer middelmatige zomerdag. Het kwik kwam in De Bilt die dag niet boven de 21 graden en het egaal grijze wolkendek zal zich ook wel uitgestrekt hebben tot boven Leiden. Alles bij elkaar was het weerbericht geheel vergelijkbaar met dat van precies 100 jaar later. Aan de andere kant deed het er eigenlijk niet zo veel toe hoe koud of warm het werd. Leiden had die dag in ieder geval toch het koudste plekje dat er ooit op aarde geweest was: in het laboratorium van Heike Kamerlingh Onnes aan de Steenschuur.
Van der Waals

Kamerlingh Onnes was al sinds 1882 deelnemer aan de internationale race om de koudste temperatuur op aarde te bereiken. ‘Zijn koudeonderzoek was geen doel op zich, maar een middel om een wetenschappelijk programma dat hij had opgesteld, uit te kunnen voeren’, vertelt Dirk van Delft, hoogleraar Materieel erfgoed van de Natuurwetenschappen en directeur van Museum Boerhaave. ‘En hij was daar vanaf zijn aanstelling in Leiden onmiddellijk mee begonnen. Hij wilde de theorie van Johannes Diderik van der Waals toetsen.’ Van der Waals was in 1877 in Leiden gepromoveerd op zijn beroemd geworden verhandeling Over de continuiteit van den gas- en vloeistoftoestand.

Gecontroleerde manier
Van Delft: ‘Wil je de overgang van vloeistof naar gas waarnemen en onderzoeken, dan moet je dat gas wel eerst vloeibaar zien te maken. Bovendien werk je als fysicus het liefst met eenvoudige stoffen, dus geen organische of chemische verbinding met vele soorten atomen, maar iets simpels als zuurstof of stikstof. Juist gassen bestaande uit eenvoudige moleculen worden pas bij extreem lage temperaturen vloeibaar. De overgangstemperatuur van zuurstof (-183º C) en stikstof (-196º C) was al sinds 1877 bekend. Het was voor Kamerlingh Onnes dus niet meer de sport om die gassen vloeibaar te krijgen, maar wel in grote hoeveelheden op een gecontroleerde manier, zodat je er experimenten mee kon doen.’
Joule-Thomsonkoeling
Later kwam ook waterstof (-253º C) in beeld als kandidaat om vloeibaar gemaakt te worden. Dat werd mogelijk met de zogenoemde Joule-Thomsonkoeling die in 1895 werkbaar werd. ‘De Joule-Thomsonkoeling werkt volgens het omgekeerde principe van een fietspomp’, vertelt Peter Kes, hoogleraar Experimentele natuurkunde. ‘Als je een band oppompt worden door het samenpersen van de lucht de slang en het ventiel heet. Als je nu een gas dat eerst onder hoge druk is gebracht, laat uitzetten, wordt het juist heel koud.’ Kamerlingh Onnes bouwde in het laboratorium aan de Steenschuur een fabriek waarmee volgens dit principe gassen steeds kouder gemaakt konden worden.

Absolute nulpunt
In hetzelfde jaar van de Joule-Thomsonkoeling werd voor het eerst helium op aarde aangetoond. Helium is het gas dat Kamerlingh Onnes op 10 juli 1908 met succes vloeibaar maakte. Helium heeft van alle elementen het laagste kookpunt, 4,2 Kelvin, dus ruim vier graden boven het absolute nulpunt (-273,15º C). Van Delft: ‘Kamerlingh Onnes’ doel was niet zozeer om het absolute nulpunt te bereiken, maar om stap voor stap al de gassen vloeibaar te krijgen, die hij voor zijn onderzoek wilde gebruiken. Helium was voor hem koelmiddel en onderzoeksstof tegelijk. Hij wilde de wet van de overeenstemmende toestanden van Van der Waals controleren. En hij wilde zien welke afwijkingen er eventueel optraden en aan de hand van die afwijkingen de wetten bijstellen en iets over de structuur van moleculen en hun onderlinge aantrekkingskracht te weten te komen.’

Spiraalbuis
In het apparaat van Kamerlingh Onnes liep het heliumgas door een spiraalbuis. Aan het eind van de kringloop kwam het uiteindelijk bij een soort prop uit, waar het onder hoge druk doorheen ging en expandeerde. Van Delft: ‘Dan koelt het dus een beetje af en de volgende ronde koelt het weer een beetje meer af. Als je dat maar steeds herhaalt, zakt de temperatuur naar steeds lagere waarden. Van belang daarbij is de kritische temperatuur. Die is voor ieder gas verschillend. Je moet beneden de kritische temperatuur zitten om het vloeibaar te kunnen krijgen.’ Kes: ‘De temperatuur van vloeibaar helium is 4,2 K(elvin) bij een druk van één atmosfeer. Als je die druk verlaagt door de heliumdamp weg te pompen, wordt het op zijn koudst 1,5 K. Kamerlingh Onnes haalde honderd jaar geleden 1,8 K.’

Supergeleiding
Toen Kamerlingh Onnes eenmaal vloeibaar helium had, wilde hij het ook kunnen gebruiken voor zijn experimenten. Daarvoor moest hij het zien over te hevelen naar een apart vat, met voldoende ruimte om er een te onderzoeken preparaat in te hangen. ‘Dat lukte hem in 1911’, zegt Kes. ‘Kort daarna heeft hij in een dun glazen buisje gevuld met bevroren kwik supergeleiding – het wegvallen van de elektrische weerstand in een metaal beneden een voor dat metaal karakteristieke temperatuur – ontdekt.’ De principes van de koeling met vloeibaar helium en supergeleiding worden tegenwoordig veelvuldig toegepast in onder andere MRI-scanners. Door de supergeleiding produceren de enorme elektromagneten in dat apparaat geen warmte, zodat ze kunnen worden gebruikt bij het scannen van levend weefsel.

Sluitstuk
Van Delft: ‘Het vloeibaar maken van helium in 1908 was het sluitstuk van een strak doordachte en met heel veel organisatietalent doorgevoerde megaoperatie. Het stichten van de instrumentmakerschool die technische ondersteuning bood, al die activiteiten om geld los te peuteren: Kamerlingh Onnes was behalve een goed fysicus ook een uitstekend organisator. Allemaal met het doel de koudefabriek te bouwen en helium vloeibaar te maken. Toen hij dat allemaal achter de rug had, kwam de supergeleiding als een geschenk uit de hemel vallen. Enerzijds dat grote planmatige en anderzijds het doen van een totaal onverwachte ontdekking.’

Stapjes
Honderd jaar na Kamerlingh Onnes’ succes doet Leiden nog steeds mee in de race om de laagste temperatuur te bereiken. Alleen gaat het nu niet meer om stappen van hele graden Kelvin, maar om stapjes van milli- en micrograden. Kes: ‘We streven ernaar om het onderzoek de richting op te buigen dat je koude echt nodig hebt om nieuwe fenomenen te onderzoeken.’ Dirk Bouwmeester koelt met een optische methode microspiegeltjes en wil daarbij een zo laag mogelijke uitgangstemperatuur bereiken, terwijl Tjerk Oosterkamp wil gaan onderzoeken hoe eiwitten in een membraan gevouwen zitten. Om de plaats van alle moleculen te kunnen bepalen moet hij zijn experiment ook bij hele lage temperatuur uitvoeren, bij 0,1 milligraad.

(Bron: persbericht Universiteit Leiden)

Tijdens het opruimen van mijn mailbox kwam ik dit persbericht tegen. Het is in het licht van de LHC die binnenkort gestart wordt (10 september) een gedenkwaardig bericht, aangezien men bij het Cern de magneten in de deeltjesversneller afkoelt tot 1,9 Kelvin (-271,1 graden Celcius) zodat de magneten supergeleidend worden.