Heute in der Wissenschafts- und Technologiegeschichte | 10.7.1908: Erstmals gelang es Menschen, Heliumgas zu verflüssigen.

Am 10. Juli 1908 gelang es Kamerlingh Onnes, dem Entdecker der Supraleitung und niederländischen Physiker, erstmals, Helium zu verflüssigen, was einen wichtigen Durchbruch in der Wissenschaft darstellte. Zu dieser Zeit war es dem Menschen nicht gelungen, Helium zu verflüssigen, da sein gasförmiger Zustand äußerst stabil war und bei jeder Temperatur nicht kondensierte, was seine Verflüssigung für die Wissenschaftler zu einer großen Herausforderung machte.

Nach langen, unermüdlichen Bemühungen fand Onnes schließlich die Schlüsselmethode zur Lösung des Problems der Heliumverflüssigung. Er verwendete eine neue Art der Kühltechnologie, indem er Helium in eine Umgebung mit niedriger Temperatur brachte und hohen Druck ausübte, und schließlich gelang es ihm, das Helium zu verflüssigen. Für dieses bahnbrechende Experiment erhielt er 1913 den Nobelpreis für Physik und läutete eine neue Ära der Forschung über verflüssigtes Helium ein.

●Lösen Sie das Problem der Heliumverflüssigung

Im Jahr 1882 wurde der damals 29-jährige Kamerlingh Onnes zum Professor für Physik und Leiter des Physiklabors an der Universität Leiden in den Niederlanden ernannt. Zu dieser Zeit befand sich die globale Physik in einer Übergangsphase und die Menschen schenkten physikalischen Experimenten immer mehr Aufmerksamkeit. Nachdem Onnes die Leitung des Physiklabors an der Universität Leiden übernommen hatte, beschloss er, die Tieftemperaturphysik zu seinem Hauptforschungsschwerpunkt zu machen.

Am 10. Juli 1908 gelang es Kamerlingh Onnes und seinen Kollegen nach sorgfältiger Vorbereitung schließlich, Helium zu verflüssigen. Dies war das erste Auftreten der „großen Wissenschaft“ im 20. Jahrhundert und ihr erster Erfolg.

Um dieses Experiment gut durchführen zu können, traf Onnes äußerst sorgfältige Vorbereitungen. Er schätzte im Voraus theoretisch die Verflüssigungstemperatur von Helium ab und ging davon aus, dass diese zwischen 5 und 6 K liegen würde. Helium wird in großen Mengen gespeichert und ist in großen Mengen vorhanden. Flüssiger Wasserstoff ist hausgemacht.

Am Tag vor dem Experiment bereiteten sie 75 Liter flüssige Luft zur Verwendung vor. Gegen 5 Uhr morgens wurden 20 Liter flüssiger Wasserstoff bereitgestellt und nach und nach in den Heliumverflüssiger eingefüllt. Seien Sie beim Vorkühlen mit flüssigem Wasserstoff äußerst vorsichtig; Wenn auch nur eine winzige Menge Luft in das System gelangt, sind alle bisherigen Bemühungen umsonst.

Um 13:30 Uhr wurde das gesamte Helium in den Heliumverflüssiger gegossen und begann zu zirkulieren. Der Thermostat in der Mitte des Verflüssigers begann eine nie zuvor erreichte Temperatur zu erreichen, eine Temperatur, die nur durch ein Heliumthermometer angezeigt werden konnte.

Allerdings änderte sich der Indikator lange Zeit nicht. Man passte den Druck an, wechselte den Expansionskolben und nutzte verschiedene mögliche Maßnahmen, um den Betrieb des Verflüssigers zu fördern, aber das Thermometer schien sich zu bewegen, aber nicht zu rühren, was eine Beurteilung erschwerte. Zu diesem Zeitpunkt war der flüssige Wasserstoff fast aufgebraucht und von flüssigem Helium war noch immer keine Spur zu sehen.

Als ein Professor um 19:30 Uhr erkannte, dass das Experiment kurz vor dem Scheitern stand, schlug er Kamerlingh Onnes vor, dass sich möglicherweise auch das Helium im Heliumthermometer selbst verflüssigt habe. Wäre es möglich, den Container von unten zu beleuchten, um zu sehen, was los ist?

Onneston war aufgeklärt und tat, was ihm gesagt wurde. Das Ergebnis überraschte ihn sehr; Es stellte sich heraus, dass der zentrale Thermostat fast mit Flüssigkeit gefüllt war und die Menschen durch die Lichtreflexion die Flüssigkeitsoberfläche sehen konnten. Diesmal erhielt Kamerlingh Onnes insgesamt 60 ml flüssiges Helium und erreichte dabei eine niedrige Temperatur von 4,3 K, wodurch die absolute Grenze zwischen Gas und Flüssigkeit endgültig verschwand. Dies stellt einen entscheidenden Schritt auf dem Weg der Menschheit zum absoluten Nullpunkt dar.

●Entdecker der Supraleitung

Der elektrische Widerstand von Metallen war ein wichtiges Forschungsthema für Onnes.

Damals gab es unterschiedliche Meinungen darüber, wie sich der Widerstand von Metallen in der Nähe des absoluten Nullpunkts verändert. Manche Leute glaubten, dass der Widerstand reiner Metalle mit sinkender Temperatur allmählich abnehmen und schließlich beim absoluten Nullpunkt verschwinden sollte. Onnes glaubte zunächst an eine andere, 1902 von Kelvin vorgeschlagene Ansicht, wonach der Widerstand des Metalls bei sinkender Temperatur ein Minimum erreicht und dann aufgrund der Kondensation von Elektronen auf Metallatomen unendlich wird. Da Onnes die Technologie der Heliumverflüssigung beherrschte, hatte er die Voraussetzungen, dieses Problem experimentell zu untersuchen. Im Februar 1911 maß er den Widerstand von Gold und Platin bei der Temperatur von flüssigem Helium und stellte fest, dass der Widerstand von Platin unter 4,3 K konstant blieb, anstatt einen Mindestwert zu erreichen und dann anzusteigen. Daher änderte er seine ursprüngliche Ansicht und glaubte, dass der Widerstand von reinem Platin bei der Temperatur von flüssigem Helium verschwinden sollte.

Um seine Ideen zu testen, wählte Onnes Quecksilber als Versuchsobjekt, da Quecksilber leichter zu reinigen ist als andere Metalle. Die experimentellen Ergebnisse zeigten ein unerwartetes und seltsames Phänomen: Der Widerstand des Quecksilbers verschwand plötzlich bei etwa 4,2 K. Diese außergewöhnliche Entdeckung zeigt nicht nur, dass die Effizienz der Stromerzeugung in der Elektrizitätsindustrie erheblich verbessert werden kann, sondern eröffnet auch umfassende Perspektiven für die Nutzung dieser Supraleitung zur Herstellung supraleitender Motoren, supraleitender Magnete und supraleitender Kabel. Von April bis November 1911 berichtete Onnes in drei aufeinanderfolgenden Artikeln ausführlich über seine Versuchsergebnisse.

Im Jahr 1913 entdeckte Onnes, dass Zinn und Blei die gleiche Supraleitfähigkeit wie Quecksilber besaßen und dass auch unreines Quecksilber Supraleitfähigkeit besaß. Onnes erhielt 1913 den Nobelpreis für Physik für seine Forschungen zu den Tieftemperatureigenschaften von Materie und zur Herstellung von flüssigem Helium. Dank Onnes‘ herausragender Führung und Leitung des Physiklabors der Universität Leiden wurde das Labor im frühen 20. Jahrhundert zum weltweiten Zentrum der Tieftemperaturforschung.

●Strategische Edelgasressourcen

Die Entdeckung von verflüssigtem Helium hatte damals enorme Auswirkungen auf die wissenschaftliche Gemeinschaft. Durch die Entwicklung von flüssigem Helium konnten Forscher die Eigenschaften und Merkmale von Helium besser verstehen, was wiederum die Forschung zur Verflüssigung anderer Substanzen vorangetrieben hat. Zweitens bieten die Technologie und die Ausrüstung, die bei der Herstellung von verflüssigtem Helium zum Einsatz kommen, den Forschern auch mehr experimentelle Mittel, um umfangreichere wissenschaftliche Untersuchungen durchzuführen.

Die Bedeutung der Forschung zu verflüssigtem Helium geht jedoch weit darüber hinaus. Da Helium ein wichtiger industrieller Rohstoff und Energieträger ist, werden Durchbrüche in der Verflüssigungstechnologie dem Industriesektor enorme Vorteile bringen. Das Volumen von verflüssigtem Helium lässt sich erheblich reduzieren, was die Lagerung und den Transport erleichtert und somit die industrielle Produktion und wissenschaftliche Experimente erleichtert. Darüber hinaus verfügt verflüssigtes Helium über ein breites Anwendungsspektrum.

Helium findet in der Luft- und Raumfahrt wichtige Anwendung und die menschliche Erforschung des Universums ist untrennbar mit dem selbstlosen Einsatz von Helium verbunden. Beispielsweise ist Helium bei Raumfahrzeugstarts mit Flüssigtreibstoff ein unersetzliches Reinigungs- und Lecksuchmittel für Treibstofftanks und Rohrleitungssysteme, ein Boostergas und Kühlmittel für die Treibstoffbeladung usw. Beim Reinigen von unter Druck stehenden Flüssigwasserstofftanks und Rohrleitungssystemen gefriert in der Niedertemperaturumgebung des Flüssigwasserstoffs jedes andere Gas (wie Stickstoff oder Argon) und vermischt sich mit dem Flüssigwasserstoff, wodurch Rohre und Ventile verstopft werden. Helium ist die einzige inerte Substanz, deren Verflüssigungstemperatur weit unter der von Wasserstoff liegt, sodass es in einer Umgebung mit flüssigem Wasserstoff funktionieren kann.

Helium spielt auch beim Tiefseetauchen eine wichtige Rolle und bietet Schutz bei der Erkundung der Tiefsee. Beispielsweise verwenden Taucher beim Tiefseetauchen (U-Boot) häufig ein Helium-Sauerstoff-Gemisch. Dieses Mischgas, bei dem Helium anstelle von Stickstoff verwendet wird, kann die Gefahr und das Unbehagen verringern, die durch die Auflösung von Stickstoff im Blut des Tauchers entstehen, da die Löslichkeit von Helium im Blut wesentlich geringer ist als die von Stickstoff. Außerdem kann dadurch das Risiko einer Blasenbildung in den Blutgefäßen aufgrund eines plötzlichen Druckabfalls beim Auftauchen des Tauchers erheblich verringert werden.

Helium hat wichtige Anwendungen im medizinischen Bereich und ist als „lebensrettendes“ Gas bekannt. Bei Technologien wie der Kernspinresonanz (NMR) und der Magnetresonanztomographie (MRI) ist beispielsweise der supraleitende Magnet das Herzstück des Kernspintomographen. Dieser kann ohne flüssiges Helium nicht stabil arbeiten und keine hochauflösende Bildgebung gewährleisten. Bei der Behandlung von Atemwegserkrankungen kann Helium die Sauerstoffübertragungsrate in den Atemwegen erhöhen und die Symptome von Atemwegserkrankungen lindern. Darüber hinaus kann Helium auch zur Behandlung und Vorbeugung neurologischer Erkrankungen eingesetzt werden.

Auch im Informationszeitalter ist der Schutz von Helium unverzichtbar. Helium hat breite Anwendungsaussichten in Quantencomputern. Um die Temperatur von Quantenbits nahe dem absoluten Nullpunkt zu halten, müssen Quantencomputer mit flüssigem Helium gekühlt werden. Ohne Helium können Quantencomputer nicht stabil arbeiten.

Umfassend aus "Popular Science and Culture of Land and Resources" und "Popular Science China"