Stirling, een spin-off-bedrijf van Philips, levert industriële apparaten die het pas écht koud maken. De typische temperaturen liggen rond het kookpunt van stikstof: bij 196 graden Celsius onder nul. Oftewel, op de temperatuurschaal die onderzoekers gebruiken, bij 77 kelvin. Maar waarom zou je iets eigenlijk zo koud willen maken? Willems legt uit: “Op kleine schaal kun je denken aan elektronica die beter functioneert bij lage temperaturen. Infraroodsensoren die in militaire toepassingen -zoals nachtkijkers- zitten, moeten heel koud zijn, omdat de beelden anders veel ruis hebben.” Maar een wellicht nog veel belangrijkere toepassing van ‘cryogene’ koeling is supergeleiding. Dit fenomeen, ontdekt door de Nederlander Heike Kamerlingh Onnes in 1911, houdt in dat onder een bepaalde zeer lage temperatuur een materiaal geen elektrische weerstand meer heeft. Een elektrische stroom door dat materiaal ondervindt dan geen tegenwerking meer en dat zorgt ervoor dat er nauwelijks energieverlies optreedt bij het transport van elektronen, wat stroom feitelijk is.
Jarenlang moest men voor dit effect zakken tot vlak boven het absolute nulpunt (0 kelvin of -273,15 graden Celsius). Maar in de jaren tachtig van de vorige eeuw ontdekten natuurkundigen een familie van materialen die al rond de 90 kelvin supergeleidend werden. Nog steeds wel heel koud, maar dit was te realiseren met behulp van vloeibaar stikstof. “En dit spul is relatief goedkoop als je het in grote hoeveelheden inkoopt”, vertelt promovendus Willems. “Het wordt verkocht als restproduct bij de productie van vloeibare zuurstof. Vrachtwagens voeren de stikstof aan, waarna het bij de klant wordt opgeslagen in grote tanks, die je her en der op de TU/e-campus kunt zien staan. Wil je echter onafhankelijk zijn van de levering per vrachtauto, bijvoorbeeld als die niet betrouwbaar genoeg is, of te duur vanwege de infrastructuur, dan bieden de machines van Stirling uitkomst. Deze zijn in staat om op alleen elektriciteit lokaal vloeibare stikstof te produceren.”

Een koelinstallatie op basis van het rondpompen van vloeibare stikstof in een gesloten lus. Links en rechts zijn twee koelmachines te zien, gebaseerd op het Stirling-principe.
Foto: Stirling Cryogenics & Refrigeration BV.

Dunnere kabels
Supergeleiding kan van nut zijn in bijna alle toepassingen waar een grote elektrische stroom loopt. Dus elektriciteitskabels kunnen veel dunner worden om dezelfde stroom aan te kunnen. Maar ook transformatoren en elektromotoren, die bijvoorbeeld in schepen worden gebruikt, kunnen kleiner worden, zodat er ruimte vrijkomt voor andere dingen. Willems: “In Tokyo denkt men er zelfs al over na om de grote elektriciteitskabels te vervangen door gekoelde, supergeleidende kabels. De huidige kabels zijn toe aan een uitbreiding van capaciteit, maar de fysieke ruimte ontbreekt in de drukke stad.”
Voor het toepassen van supergeleiding is het van groot belang dat de temperatuur continu laag genoeg blijft. Het wegvallen van de supergeleiding zou immers kunnen leiden tot een enorme overbelasting van stroomdraad of motor en daarmee tot uitval. De Stirling-koelers die het bedrijf Stirling bouwt, zijn daar prima geschikt voor. Ze werken op basis van twee onafhankelijke zuigers die heliumgas achtereenvolgens samenpersen, verplaatsen en weer expanderen, en dit 25 keer per seconde. Bij dit proces wordt warmte van de ene naar de andere plek getransporteerd, hét kenmerk van koelsystemen. Na een paar minuten kan een flinke Stirling-koeler al de gewenste lage temperatuur hebben bereikt. Het ding heeft echter ook nadelen. De zuigers worden gesmeerd met olie en de combinatie van olie en koude is verre van ideaal. Aan de koude kant bevriest de olie en in andere delen van de koeler verdampt de olie juist gemakkelijk om op koude plekken weer neer te slaan. Willems: “Gemiddeld moet zo’n machine elk jaar stilgezet worden om te worden gereinigd. Technisch gezien is dit al knap, want na zes- à achtduizend uur draaien zou bijvoorbeeld de motor van je auto al lang afgeschreven zijn.” Maar toch is dit terugkerende onderhoud ongewenst. De opdracht die promovendus Willems meekreeg, was dan ook: ontwerp een koelmachine met voldoende vermogen die veel minder vaak onderhoud nodig heeft.

Geen bewegende delen
Het eerste wat Willems deed, was de problematische zuiger in het koude gedeelte weglaten. De expansie van het gas wordt nu geregeld door een kleine opening, waar het helium doorheen stroomt, een buffervat in. Dit principe, pulsbuiskoeling genaamd, heeft als grote voordeel dat in het koude gedeelte geen bewegende delen meer aanwezig zijn. Dat betekent minder trillingen, minder slijtage en dus minder onderhoud. De eerste versie van de machine deed het nog niet optimaal. De tweede, geoptimaliseerde versie haalde echter al een vermogen van 160 watt bij 77 kelvin. “Dat was op dat moment de best presterende grote pulsbuiskoeler ter wereld”, vertelt Willems. Hij kwam er echter ook achter dat het rendement met 4,5 procent wat achterbleef bij dat van een Stirling-koeler (10 procent). “Dat heeft te maken met bepaalde verliezen in de pulsbuis waar je niet onderuit komt, zoals een hogere drukval. Daarmee verlies je energie -in de vorm van warmte- die je niet meer eenvoudig kunt terugwinnen.” Conclusie: de pulsbuis is een mooi concept, maar vanwege het hogere rendement is het Stirling-concept in de industrie toch meestal favoriet.
Blijft over het probleem van de bewegende, oliegesmeerde compressor. Met de opgedane kennis besloot Willems deze oliegesmeerde zuiger te vervangen door een olievrij exemplaar. Een tamelijk revolutionair idee. Het ontwerp voor de verbeterde compressor -een coproductie van Stirling, de Gemeenschappelijke Technische Dienst van de TU/e en enkele andere bedrijven uit de regio- was zodanig sterk, dat men besloot het concept ook toe te passen op een Stirling-koeler. Ook bij deze nieuwe koeler, die binnenkort in productie wordt genomen, wordt nu zowel de smering als de afdichting verzorgd door heliumgas./.