Regelbarkeit und Temperaturstabilität als zentrale Leistungsmerkmale
Moderne Anwendungen wie Quantencomputer, supraleitende Kabel und Magneten, kryogene Teststände oder medizinische Systeme stellen hohe Anforderungen an die Temperaturkonstanz. Bereits geringe Abweichungen können Messgenauigkeit, Materialeigenschaften oder Systemverfügbarkeit beeinträchtigen.
Gasgelagerte Hochgeschwindigkeitssysteme bieten hier mehrere Vorteile. Durch die kontaktlose Lagerung mittels Herringbone-Gaslagern entsteht ein stabiler Gasfilm, der mechanischen Verschleiss verhindert und zugleich ein sehr ruhiges Laufverhalten ermöglicht. Die kontinuierliche Strömungsführung reduziert Pulsationen und erleichtert die Regelung des Gesamtsystems.
Die elektrische Ansteuerung der Permanentmagnet-Motoren erlaubt eine hochdynamische Drehzahlregelung über ein breites Temperaturfenster. Vom Start bei Umgebungstemperatur bis hin zum Wiederanlauf bei bereits kryogenen Bedingungen unter 20 K. „Unsere Systeme können sowohl bei Raumtemperatur starten als auch im kalten Zustand erneut anlaufen“, erklärt Moser. „Das erhöht die Betriebssicherheit erheblich und unterstützt eine reproduzierbare Prozessführung.“
Messungen zeigen zudem extrem geringe Mikrovibrationen mit Spitzenkräften im Bereich von unter 0,02 Newton. Diese Eigenschaft ist insbesondere für empfindliche Anwendungen in der Raumfahrt oder in wissenschaftlichen Experimenten relevant, bei denen Schwingungen die Funktion kritischer Instrumente beeinträchtigen könnten.
Cold Compressor und Cryofan: Verdichtung auf der kalten Seite
Neben dem klassischen RTB-Aufbau gewinnt die Verdichtung oder Rezirkulation direkt im kalten Bereich zunehmend an Bedeutung. In komplexen Verteilnetzwerken oder bei Zero-Boil-Off-Konzepten für Flüssigwasserstoff müssen Druckverluste überwunden oder kalte Gase transportiert werden.
Hier kommt der sogenannte Cold Compressor zum Einsatz. Er arbeitet bei kryogenen Temperaturen innerhalb der Cold Box und ermöglicht eine zusätzliche Druckerhöhung ohne Rückführung auf die warme Seite. Alternativ kann ein Cryofan für die reine Umwälzung kalter Gase eingesetzt werden. „Mit diesen Komponenten erweitern wir den Freiheitsgrad im System deutlich“, sagt Moser. „Der Prozess kann nicht nur gekühlt, sondern auch aktiv im kalten Bereich geregelt werden.“
Raumfahrt als Referenzanwendung: Zero-Boil-Off und thermische Stabilität unter Extrembedingungen
In der Raumfahrt gelten nochmals deutlich strengere Anforderungen als in industriellen Anwendungen. Jedes eingesparte Gramm Gewicht und jeder reduzierte Kubikzentimeter Bauraum wirkt sich unmittelbar auf Startkosten und Missionsplanung aus. Gleichzeitig ist eine aussergewöhnlich hohe Zuverlässigkeit gefordert, da Wartung im Orbit oder während interplanetarer Missionen faktisch ausgeschlossen ist. Die eingesetzten Komponenten müssen daher über lange Zeiträume hinweg stabil, verschleissfrei und unter extremen Umgebungsbedingungen funktionieren.
Ein zentrales Anwendungsbeispiel ist die Kühlung kryogener Treibstofftanks in Trägerraketen oder Raumfahrzeugen. Flüssige Treibstoffe wie Wasserstoff oder Sauerstoff müssen bei sehr tiefen Temperaturen gehalten werden, um Verdampfung zu vermeiden. Für zukünftige Langzeitmissionen, etwa zum Mond oder zum Mars, gewinnt das sogenannte Zero-Boil-Off-Konzept weiterhin zunehmend an Bedeutung. Ziel ist es, Verdampfungsverluste vollständig zu verhindern und die gespeicherte Energie über lange Zeiträume stabil bereitzustellen.
Typischerweise kommen hierfür Kühlprozesse auf Basis des RTB zum Einsatz. Ein Gas, häufig Helium, wird verdichtet, über Wärmetauscher vorgekühlt und anschliessend in einem Expander entspannt, wodurch es stark abkühlt. Der so erzeugte Kältestrom stabilisiert die Temperatur der Tanks oder empfindlicher Instrumente. Dieser Prozess stellt extreme Anforderungen an Regelbarkeit, Betriebssicherheit und Systemintegration.
Die gasgelagerten Turbo Kompressoren und Expander von Celeroton sind für genau solche Szenarien ausgelegt. Beide Maschinen arbeiten ölfrei und wartungsfrei, da das Prozessgas selbst als Schmiermedium dient. Dadurch wird eine Kontamination prinzipbedingt ausgeschlossen. Ein entscheidender Faktor in geschlossenen Raumfahrtsystemen. Die Expander wurden erfolgreich bei Temperaturen von 20 K betrieben und zeigen auch unter kryogenen Bedingungen ein stabiles Betriebsverhalten.
In Kombination mit den passenden Hochfrequenz-Umrichtern lassen sich die Drehzahlen präzise regeln und an wechselnde thermische Lasten anpassen. Dies ermöglicht eine exakte Temperaturführung selbst bei variierenden Missionsprofilen. Besonders relevant sind zudem die extrem geringen Mikrovibrationen im Bereich von unter 0,02 Newton, wodurch auf aufwendige mechanische Entkopplung verzichtet werden kann. Anwendungen wie die Kühlung von Infrarotspiegeln oder hochsensiblen Detektoren profitieren direkt von dieser Eigenschaft.
Für komplexere Architekturen kann der RTB mit einem zusätzlichen Turbo Kompressor auf der kalten Seite ergänzt werden. Ein solcher Cold Compressor ermöglicht die Entkopplung einzelner kryogener Kreisläufe vom Hauptkühlstrom oder den Betrieb bei erhöhten Druckverlusten. Dadurch lassen sich separate Subsysteme unabhängig regeln und stabilisieren, was sich als Vorteil bei modularen Satellitenplattformen oder mehrstufigen Raumfahrtsystemen erweist.
Anwendungsfelder mit wachsender Dynamik
Die Raumfahrt dient damit als Referenz für besonders hohe Anforderungen an Temperaturstabilität, Regelbarkeit und Zuverlässigkeit. In der Raumfahrt werden zudem RTB-Cryocooler für Satelliten mit hoher Nutzlast eingesetzt, um bei begrenzten Radiatorflächen hohe thermische Leistungen bereitzustellen. Technologien, die unter diesen Bedingungen bestehen, lassen sich entsprechend robust auf industrielle und wissenschaftliche Anwendungen übertragen.
Dabei wachsen die Einsatzgebiete für regelbare Cryocooling-Systeme kontinuierlich. Im Bereich des Quantencomputings und der Supraleitung geht es z.B. um die zuverlässige Kühlung von Kabeln, Motoren, Generatoren und Magneten auf extrem niedrige Temperaturen. Auch physikalische Forschungsexperimente sowie medizinische Anwendungen profitieren von stabilen, vibrationsarmen Kryosystemen.
„Viele dieser Anwendungen verlangen nicht nur hohe Kühlleistung, sondern eine exakt definierte Temperaturkurve über lange Zeiträume“, betont Moser. „Die Regelbarkeit unserer Hochgeschwindigkeitssysteme ist dafür ein wichtiges Feature.“
Ölfrei, dicht und wartungsarm – konstruktive Vorteile
Zudem verhindert die vollständig ölfreie Ausführung ohne rotierende Dichtungen Kontaminationen und reduziert den Integrationsaufwand erheblich. Gleichzeitig sind die Systeme vakuumkompatibel und heliumleckdicht ausgeführt, was insbesondere bei Edelgas- und Wasserstoffanwendungen von zentraler Bedeutung ist.
Durch den verschleissfreien Betrieb erreichen die Maschinen hohe Lebensdauern und sind für mehrere hunderttausend Start-Stopp-Zyklen ausgelegt. Der Wartungsaufwand reduziert sich damit auf ein Minimum, was die Gesamtbetriebskosten und die Anlagenverfügbarkeit positiv beeinflusst.
Fazit
Cryocooling-Anwendungen entwickeln sich zunehmend zu hochdynamischen, systemintegrierten Prozessarchitekturen. Neben Effizienz und Leistungsdichte rücken Regelbarkeit und Temperaturstabilität in den Mittelpunkt der Betrachtung.
Gasgelagerte Hochgeschwindigkeitssysteme im Reverse Turbo-Brayton bieten hierfür eine technologisch ausgereifte Lösung. Durch getrennte, elektrisch regelbare Kompressor- und Expanderstufen sowie optionale Cold Compressors lassen sich kryogene Prozesse präzise steuern, stabil betreiben und flexibel skalieren. Damit entstehen robuste und zugleich fein justierbare Kryosysteme, die den steigenden Anforderungen in Wasserstofftechnik, Raumfahrt, Supraleitung, Forschung und Medizin gerecht werden.
