Gasgelagerte Turbo Kompressoren: Effiziente und vibrationsarme Technologie für moderne Kryoanwendungen
Die kryogene Kühlung erlebt durch die Energiewende sowie technologische Fortschritte in der Raumfahrt und Forschung einen deutlichen Aufschwung. Neben grossen industriellen Verflüssigungsanlagen gewinnen insbesondere dezentrale, kompakte Systeme an Bedeutung, beispielsweise zur lokalen Produktion von flüssigem Wasserstoff für Tankstellen oder als Energiespeicher zur Netzstabilisierung. Darüber hinaus findet kryogene Kühlung Anwendung in Quantencomputern, Sensorik, optischen Teleskopen und Instrumenten, supraleitenden Kabeln und Magneten sowie bei der Wiederverflüssigung von Boil-off-Gasen aus kryogenen Tanks.
Ein häufig eingesetztes Verfahren ist der Reverse-Brayton-Prozess. Wird dieser mit Turbomaschinen realisiert, spricht man vom Reverse-Turbo-Brayton-Prozess (RTB). Das Verfahren zeichnet sich durch hohe Effizienz und damit niedrigen Energiebedarf zur Erzeugung der erforderlichen Kälteleistung aus. Im geschlossenen Kreislauf wird ein Prozessgas – typischerweise Helium, Neon oder Wasserstoff – über Wärmeübertrager geführt, während im Expander durch Entzug von Energie, die eigentliche Kälte erzeugt wird. Gasgelagerte Turbomaschinen bieten für RTB-Kryokühler entscheidende Vorteile: hohe Effizienz, Wartungsfreiheit, lange Lebensdauer und ein praktisch vibrationsfreier Betrieb. Gleichzeitig ergeben sich jedoch spezifische Herausforderungen. Aufgrund der hohen Schallgeschwindigkeit der verwendeten Prozessgase ist die Verdichtung pro Stufe gering, und durch die niedrige Dichte und Viskosität sinkt die Lagertragkraft. Zudem steigen die Anforderungen an die Dichtheit des Gesamtsystems.
Ein besonders kritischer Aspekt vieler kryogener Anwendungen sind emittierte Mikrovibrationen, die beispielsweise optische Systeme und wissenschaftliche Instrumente in astronomischen Teleskopen negativ beeinflussen können. Konventionelle Kühltechnologien wie Pulse-Tube- oder Stirling-Kryokühler sind zwar zuverlässig und effizient, doch nur begrenzt skalierbar und verursachen prinzipbedingt Mikrovibrationen, die aufwendig entkoppelt werden müssen. Gasgelagerte Turbomaschinen hingegen sind aufgrund ihrer hohen Drehzahlen sehr gut gewuchtet, und der Gasfilm wirkt zusätzlich dämpfend. Dadurch entstehen extrem geringe Mikrovibrationen. Um diese Eigenschaften experimentell zu verifizieren, wurden mit Unterstützung des European Southern Observatory (ESO) in Garching bei München Messungen an einem 2-kW-Heliumkompressor durchgeführt. Der Kompressor wurde starr auf einem luftgelagerten Vibrationsmesstisch montiert. Der Messbereich der Einrichtung reicht von 1 bis 500 Hz. Zusätzlich wurden Sensoren an potenziell kritischen Stellen des Turbo Kompressors angebracht.
