Helium jäähdyttää lähelle absoluuttista nollapistettä

Helsingin Pitäjänmäessä tavanomaisen näköisissä teollisuuskiinteistöissä toimii yritys, joka on noussut ultramatalien lämpötilojen jäähdyttimissä selkeäksi markkinajohtajaksi maailmassa. Varsin lyhyessä ajassa Bluefors on kasvanut runsaan 700 työntekijän ja liikevaihdoltaan yli 190 miljoonan euron yritykseksi.

Blueforsin juuret ovat Teknillisen korkeakoulun eli nykyisen Aalto-yliopiston Kylmälaboratoriossa. Siellä hollantilaiset tutkijat Rob Blaauwgeers ja Pieter Vorselman rakensivat prototyypin uuden sukupolven kryostaatista, jonka avulla tutkimusnäytteitä pystyttiin jäähdyttämään lähelle absoluuttista nollapistettä.

Kaksikko perusti vuonna 2008 Blueforsin kaupallistamaan innovaation. Aluksi yritys valmisti tieteellisessä tutkimuksessa käytettäviä laitteistoja, mutta sittemmin toiseksi ja nopeasti kasvavaksi tukijalaksi ovat nousseet kryostaatit, jotka jäähdyttävät kvanttitietokoneita.

Vaiheittain kohti absoluuttista nollapistettä

Blueforsin valmistamissa kryostaateissa on useampia sisäkkäisiä jäähdytysasteita. Esijäähdytys tapahtuu paineistetulla heliumkaasulla, jota ohjataan laitteen sisällä oleviin kylmäpäihin, niin sanottuihin pulssituubeihin. ”Haluttu jäähdytysvaikutus saavutetaan, kun helium vuoroin laajenee ja vuoroin tihenee kierron oikeissa paikoissa”, Blueforsin R&D Manager Matti Manninen kertoo.

Esijäähdytyksellä lämpötila saadaan laskemaan kohti nestemäisen heliumin kiehumispistettä, joka on 4,22 kelviniä (-268,93 °C).

Seuraava vaihe kohti vieläkin matalampaa lämpötilaa on niin sanottu laimennusjäähdytys, jossa on kaksi jäähdytysastetta. Aluksi heliumia höyrystetään, jolloin päästään yhteen kelviniin.

Tästä jäähdytystä jatketaan sekoituskammiossa, jossa heliumin kaksi isotooppia helium-3 ja helium-4 sekoittuvat. Heliumin faasimuutokset saavat aikaan jäähtymisen. ”Tällä tavalla jäähdytyksessä päästään kymmenen millikelvinin päähän absoluuttisesta nollapisteestä.” Absoluuttinen nollapiste on lämpötilan alaraja, jossa atomien lämpöliike lakkaa. Se on 0 kelviniä eli −273,15 celsiusastetta.

Tehokas eristys kaikki kaikessa

Kryostaatin ulkonäkö vaihtelee käyttötarkoituksen mukaan. Usein ne näyttävät suurilta säiliöiltä tai sylintereiltä, joiden valmistamiseen on käytetty muun muassa alumiinia ja ruostumatonta terästä.

Matti Mannisen mukaan jäähdytys erittäin alhaisissa lämpötiloissa edellyttää kryostaatin tehokasta eritystä, jotta ulkoinen lämpö ei pääse vaikuttamaan jäähdytettyyn osaan. Blueforsin kryostaateissa käytetään tyhjiöeristystä. Ennen kuin jäähdytys voi alkaa, kammio suljetaan ja pumput imevät kammiosta kaiken ilman.

Kryostaateissa käytetään myös useita kerrosrakenteita, joissa on monta suojaavaa kerrosta estämässä ulkoisen lämmön pääsy kylmimpiin osiin. Lisäksi lämpötilaa hallitaan tarkasti lämmönsäätöjärjestelmillä.