Ziel der Entwicklung
Ziel des FuE-Vorhabens war es, Kunststoff-Kryostaten für extreme Anforderungen zu entwicklen, die auf neuen Materialien und Herstellungsverfahren von Faserverbunden auf der Basis von Epoxidharzen aufbauen. Speziell designte Materialien beziehungsweise Materialkombinationen sollten bezüglich der Eignung für den Kryostatenbau bewertet werden, indem unterschiedliche Probekörper hergestellt und getestet wurden. Bei der Entwicklung einer neuen Generation von Kryostaten, die mittels neuer Materialien auch unter extremen Bedingungen einsetzbar sein sollen, wurden geringe Wandstärken mit dem Fokus auf die Reduzierung von Isolationsvolumina verwendet. Dabei musste auf die Sicherung einer ausreichenden mechanischen Stabilität bei diesen verringerten Wandstärken geachtet werden. So kam es zu der Entwicklung von Maßnahmen vorrangig zum mechanischen Schutz gegen extreme Umgebungsbedingungen ohne Beeinflussung des Messsignals.
Um zu dieser Erkenntnis zu gelangen, waren die wesentlichen Arbeitsschritte, die Durchführung von thermischen Berechnungen und Festigkeitsberechnungen, die Berechnung, Designentwicklung und Herstellung von Prüfkörpern, die Auslegung und Konstruktion, die Validierung von GFK Material / Herstellung von CFK für den Kryostatbau, die Herstellung von Funktionsmustern zur Bewertung der Eigenschaften und anschließende Versuchsdurchführungen.
Vorteile und Lösungen
Im Ergebnis dieser Arbeiten wurden verschiedenste Kryostat-Funktionsmuster aus verschiedenen Materialien mit speziellen Anforderungen entwickelt, realisiert und validiert. An verschiedenen Versuchsmustern und Probekörpern wurde erarbeitet, wie sowohl unter kryogenen Belastungen, als auch im Hinblick auf Vakuumbeständigkeit und Leckraten, funktionelle Lösungen für Kryostate aussehen können, wenn neue Materialien kombiniert werden, die bezüglich Laminat- und Harzaufbau speziell an die Anforderungen von Kryostaten angepasst wurden. Ein weiterer wichtiger Meilenstein im Projekt war die Umsetzung eines vollständigen Kryostat-Funktionsmusters, welches aus einer Kombination aus GFK und CFK besteht, lageunabhängig arbeitet und sowohl mit Helium als auch Stickstoff betrieben werden kann. Zudem besitzt der Kryostat ein geringes Eigengewicht und ist äußerst stabil.
Damit ist es gelungen, dass diese Kryostate jeweils ein Alleinstellungsmerkmal aufweisen. Als Folge der Entwicklungsleistung konnten neue Einsatzfelder erschlossen werden, wie beispielsweise die Kryostatierung von Hochtemperatursupraleiter (HTSL)-Anwendungen (unter anderem für spezielle neuartige Strombegrenzer) in Industrieumgebungen mit z. B. erhöhten Außentemperaturen. Das in diesem FuE-Projekt erworbene Know-how kann auch bei einer Vielzahl weiterer Anwendungen wie in (Groß-) Forschungsanlagen eingesetzt werden.
Zielgruppe und Zielmarkt
Aus unserer Sicht ist der erlangte Wissensvorsprung auf dem Gebiet des Kryostatbaus ein wichtiger Faktor, um langfristig weltweite Ausschreibungen und Anfragen bedienen, bearbeiten und vor allem umsetzen zu können.
Die Ergebnisse zeigen, dass gerade im Hinblick auf Materialauswahl, Design, Festigkeit und Standzeit die entwickelten Kryostate in industriellen Anwendungen eingesetzt werden können und auch im Hinblick auf Stabilität und Funktionlität einen großen Vorteil gegenüber vergleichbaren Systemen bietet. Insbesondere die Validierung von GFK für Anwendungen mit erhöhter Außentemperatur am Kryostaten, bei gleichzeitiger Druckbeaufschlagung im kryogenen Reservoir, bietet enorme Vorteile. Im Hinblick auf verfügbare Systeme sehen wir deutliche konstruktive Vorteile an unseren Systemen, was bzgl. der Vermarktung als sehr positiv zu bewerten ist.
Die aus dem FuE-Projekt gewonnenen Erkenntnisse wurden und werden bei einer Vielzahl von anderen Projekten am ILK Dresden eingesetzt, bei denen anspruchsvolle Kryostate und zugehörige Baugruppen benötigt werden.