Der Auftrag des Projektpartners Enerproject S.A. an GEA umfasst Verdichter vom Typ XH, den größten Verdichtern von GEA, XE- Verdichter und XC-Verdichter, die zur LT-Serie von GEA gehören. Die GEA Verdichter sind die treibende Kraft des Prozesses zur Verflüssigung des Heliums und damit zur Kühlung der supraleitenden Magnete. Die gesamte Kälteanlage wird eine Kälteleistung von 15 kW bei etwa -269°C haben.
Die Beschleunigung der Ionen geschieht mit hohen elektrischen Feldern. Mit Magneten werden sie gelenkt und gebündelt. Die Ionen können auf eine maximale Geschwindigkeit von rund 90 Prozent der Lichtgeschwindigkeit, das heißt fast 270.000 km/s, beschleunigt werden. Forscher aus aller Welt nutzen bei GSI die beschleunigten Ionen für Experimente in unterschiedlichen Forschungsgebieten, von Teilchen-, Kern- und Atomphysik über Plasmaphysik- und Materialforschung bis hin zur Biophysik und Tumortherapie.
Große Herausforderungen
Das GEA-Team im GSI/FAIR-Projekt stand, gemeinsam mit den Partnern Enerproject S.A. und Linde Kryotechnik AG, beide aus der Schweiz, vor großen Herausforderungen – und meisterten sie. Um die Magnete zu kühlen, ist es nicht möglich, Ammoniak oder ein anderes Kältemittel zu verwenden, um die erforderliche Temperatur zu erreichen. Dies ist nur mit Helium möglich, dem „kältesten“ Element der Erde. Der Normalsiedepunkt von Helium liegt bei 4,2 K, was etwa -269 °C entspricht. Die gesamte Anlage umfasst 12,5 Tonnen Helium. Das Edelgas ist ein teures und seltenes chemisches Element, das nicht künstlich hergestellt werden kann. Daher müssen der Verlust und die Verunreinigung von Helium minimiert werden, um die Kosten für den Kunden zu senken. Aus diesem Grund waren der Einbau einer zweiten O-Ring-Dichtung für die Niederdruckverdichter, sowie eine Dichtheitsprüfung (Sniff-Test) mit Helium notwendig.
Für die Evaluierungsphase konnte GEA einen Experten für das Team gewinnen: Dr.-Ing. Ole Fredrich, Spezialist für Schraubenverdichter und mit kryotechnischem Hintergrund aufgrund seiner Forschungszeit an der TU Dresden. Er gab den verschiedenen Beteiligten in der Projektphase wertvolle technische Ratschläge und ist bestrebt, den Einsatz von GEA Schraubenverdichtern für Helium- und Wasserstoffanwendungen voranzutreiben.
Referenz für Zukunftsprojekte
Das FAIR-Projekt ist für GEA eine Referenz für weitere Zukunftsprojekte in der Anwendung von Helium in der Kälteerzeugung für so tiefe Temperaturen wie für den FAIR Ringbeschleuniger SIS 100. Eine weitere Herausforderung war die Koordination dieses Langzeitprojekts in enger Zusammenarbeit mit allen Beteiligten, so dass die Verdichter termingerecht geliefert werden konnten. So musste zum Beispiel die Dichtheitsprüfung durch das Institut für Luft- und Kältetechnik Dresden nach der Fertigstellung und vor dem Versand organisiert werden. Die Inbetriebnahme der Helium-Verdichteranlage ist nach derzeitigem Planungsstand für 2024 und der erste Strahl für 2025 vorgesehen.
Bauprojekt FAIR
Die Teilchenbeschleunigeranlage FAIR in Darmstadt ist weltweit eines der größten Bauvorhaben für die internationale Forschung. Auf rund 150.000 Quadratmetern entstehen unter anderem ein unterirdischer Beschleunigerringtunnel mit 1100 Metern Länge, Labore und sonstige Betriebs- und Versorgungsbauwerke. Der Tunnel für den SIS 100-Teilchenbeschleuniger wird ebenfalls bis zu 17 Meter unter der Erde liegen. Neben dem eigentlichen Beschleunigertunnel wird ein Versorgungstunnel liegen, in dem unter anderem Leitungen für Strom und flüssiges Helium, Platz für Netzgeräte und Möglichkeiten zur Kontrolle der Ionenstrahlqualität untergebracht sind.
Für das Projekt wurde eine integrierte Ablaufplanung entwickelt und der Bau, die Beschleunigerentwicklung und die wissenschaftlichen Experimente aufeinander abgestimmt.■
Bild: GEA
