Door een koelkast aan te passen die veel wordt gebruikt in zowel onderzoek als de industrie, hebben onderzoekers van het National Institute of Standards en Technologie (NIST) hebben de tijd en energie die nodig is om materialen af te koelen tot enkele graden boven het absolute nulpunt drastisch verminderd.
De wetenschappers zeggen dat hun prototype-apparaat, dat ze nu samen met een industriële partner op de markt willen brengen, jaarlijks naar schatting 27 miljoen watt aan stroom, $30 miljoen aan mondiaal elektriciteitsverbruik en genoeg koelwater zou kunnen besparen om 5,000 Olympische zwembaden te vullen.
Van het stabiliseren van qubits (de basiseenheid van informatie in een kwantumcomputer) tot het behouden van de supergeleidende eigenschappen van materialen en het koel genoeg houden van NASA's James Webb-ruimtetelescoop om de hemel te observeren: ultrakoude koeling is essentieel voor de werking van veel apparaten en sensoren. Decennialang is de Pulse Tube Fridge (PTR) het werkpaard geweest voor het bereiken van temperaturen zo koud als het vacuüm van de ruimte.
Deze koelkasten comprimeren (verwarmen) en expanderen (koelen) hogedruk-heliumgas cyclisch om de ‘Big Chill’ te bereiken, grotendeels analoog aan de manier waarop een huishoudelijke koelkast de transformatie van freon van vloeistof naar damp gebruikt om warmte te verwijderen. Al meer dan 40 jaar heeft de PTR zijn betrouwbaarheid bewezen, maar hij verbruikt ook meer energie en verbruikt meer elektriciteit dan enig ander onderdeel van een experiment met ultralage temperaturen.
Toen NIST-onderzoeker Ryan Snodgrass en zijn collega's de koelkast nader bekeken, ontdekten ze dat fabrikanten het apparaat zo hadden gebouwd dat het alleen energiezuinig was bij de uiteindelijke bedrijfstemperatuur van 4 Kelvin (K), oftewel 4 graden boven het absolute nulpunt. Het team ontdekte dat deze koelkasten extreem inefficiënt zijn bij hogere temperaturen – een groot probleem omdat het afkoelproces begint bij kamertemperatuur.
Tijdens een reeks experimenten ontdekte Snodgrass, samen met NIST-wetenschappers Joel Ullom, Vincent Kotsubo en Scott Backhaus, dat het heliumgas bij kamertemperatuur onder zo'n hoge druk stond dat een deel ervan door een ontlastklep werd geleid in plaats van te worden gebruikt. voor koeling. Door de mechanische verbindingen tussen de compressor en de koelkast te veranderen, zorgde het team ervoor dat er geen helium verloren ging, waardoor de efficiëntie van de koelkast aanzienlijk werd verbeterd.
In het bijzonder hebben de onderzoekers voortdurend een reeks kleppen aangepast die de hoeveelheid heliumgas regelen die van de compressor naar de koelkast stroomt. De wetenschappers ontdekten dat als ze de kleppen een grotere opening zouden laten hebben bij kamertemperatuur en ze vervolgens geleidelijk zouden sluiten naarmate de koeling vorderde, ze de afkoeltijd konden verkorten tot de helft tot een kwart van wat het nu is.
Momenteel moeten wetenschappers een dag of langer wachten voordat nieuwe kwantumcircuits koud genoeg zijn om te testen. Omdat de voortgang van wetenschappelijk onderzoek kan worden beperkt door de tijd die nodig is om cryogene temperaturen te bereiken, kan de snellere afkoeling die deze technologie biedt een brede impact hebben op veel gebieden, waaronder kwantumcomputing en andere gebieden van kwantumonderzoek.
De door het NIST-team ontwikkelde technologie zou wetenschappers ook in staat kunnen stellen grote pulsbuiskoelkasten te vervangen door veel kleinere, waarvoor minder ondersteunende infrastructuur nodig is, aldus Snodgrass.
De behoefte aan deze koelkasten zal enorm toenemen naarmate het onderzoek naar quantum computing, samen met de afhankelijkheid van cryogene technologie, blijft groeien. De aangepaste PTR zou dan een veel grotere hoeveelheid geld, elektrische energie en koelwater besparen. Naast het ondersteunen van een groeiende kwantumeconomie zou het apparaat ook het onderzoek versnellen, omdat wetenschappers niet langer dagen of weken hoeven te wachten totdat qubits en andere kwantumcomponenten zijn afgekoeld.
Het artikel wordt gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications.