Helium-based cryogenic infrastructure and payload cooling concept for the Einstein Telescope

Das Einstein-Teleskop (ET) ist ein in Planung befindlicher interferometerbasierter Gravitationswellendetektor der dritten Generation, dessen Ziel es ist, die Nachweisempfindlichkeit gegenüber der derzeitigen, zweiten Detektorgeneration signifikant zu erhöhen. Dies gilt insbesondere für den niederfrequenten Bereich unterhalb von etwa 30 Hz. Die vorgesehene Weiterentwicklung der Detektorempfindlichkeit erfordert die Absenkung der thermisch bedingten Beiträge zum Detektorrauschen durch Kühlung der an Pendelenden aufgehängten Interferometerspiegel auf Temperaturen zwischen 10 K und 20 K. Dies bedingt die Entwicklung eines technologisch anspruchsvollen Konzepts zur Integration eines kryogenen Kühlsystems innerhalb der komplexen Detektorarchitektur. Das Design dieser Architektur wird maßgeblich durch Anforderungen bestimmt, die sich aus der Notwendigkeit zur extremen Unterdrückung des Messrauschens in den hochsensiblen Interferometern ergeben. Es existieren mehrere technologische Ansätze zur Integration kryogener Kühlung in Gravitationswellendetektoren (GWDs), deren Ziel jeweils darin besteht, thermisch bedingtes Rauschen zu minimieren, ohne durch andere Störquellen wie seismische Vibrationen die Gesamtleistung des Detektors zu beeinträchtigen. Die Strategien stützen sich auf den Einsatz von Kleinkühlern, Sorptionskühlern, reiner Strahlungskühlung oder suprafluidem Helium (He II). Die jeweilige Schnittstelle zwischen Kühlsystem und interferometrischem Nutzlastsystem (`Payload') im Herzen des Detektors muss hochpräzise an die spezifischen Anforderungen des gewählten Ansatzes angepasst werden. Mehrere Projekte zur Kühlung kryogener Nutzlasten, die Kleinkühler, Sorptionskühler oder ausschließlich Strahlungskühlung einsetzen, wurden in jüngster Vergangenheit in die Wege geleitet. Jedem dieser Ansätze, von denen keiner bislang ausreichend ausgereift ist, um die Anforderungen der kryogenen Nutzlastkühlung gänzlich zu erfüllen, wird in dieser Arbeit in einer bündigen Darstellung Rechnung getragen. Der Schwerpunkt dieser Dissertation liegt allerdings auf dem Einsatz von suprafluidem Helium und einer rein heliumbasierten kryogenen Infrastruktur für ET insgesamt. Dieser Ansatz erweist sich als äußerst vielversprechend hinsichtlich geringem Rauscheintrag, Kälteleistung und Betriebseffizienz im Vergleich zu anderen Methoden und wird hier detailliert auf seine Anwendbarkeit in interferometrischen Gravitationswellendetektoren untersucht. Mit der heliumbasierten Kühlung für ET als Leitmotiv widmet sich das vorliegende Werk vier grundlegenden Aspekten einer entsprechenden Systemkonzeption. Zunächst wird die effektive Wärmeabfuhr von den kryogenen Nutzlasten mittels einer Schnittstellengestaltung betrachtet. Weiterhin wird die Auslegung einer Heliumversorgungsinfrastruktur für die Nutzlasten sowie andere relevante Kälteleistungsverbraucher untersucht. Ein zusätzlicher Schwerpunkt liegt auf dem Design eines innersten thermischen Schilds zur schützenden Einhausung der kalten Nutzlasten. Schließlich wird die Konzeption geeigneter Geometrien zur rauscharmen Wärmeabfuhr sowohl aus den Payloads als auch aus den zugehörigen thermischen Schilden behandelt. Der zunächst thematisierte technische Aspekt ist die Integration der Schnittstelle zum heliumbasierten Kühlsystem in die Payloadstruktur unter der Randbedingung, dass die angestrebte Interferometersensitivität nicht beeinträchtigt wird. Hierfür wird eine doppelwandige Rohrstruktur als kombinierte Aufhängungs- und Wärmeableitungsgeometrie der sogenannten Interferometerspiegelmarionette vorgesehen. Das Rohr führt in seinem Inneren Helium als Kühlmittel und stellt gleichzeitig im Vergleich zu existierenden, bei Raumtemperatur betriebenen GWDs eine geringinvasive Lösung zur Implementierung einer Kühlsystemschnittstelle in Payloads dar. Thermodynamische Modellierungen und Simulationen belegen, dass durch geeignete Dimensionierung der Rohrgeometrie stationäre Betriebstemperaturen der Spiegel von bis zu 17.5 K erreichbar sind, während die Marionetten bei ca. 2 K in Kontakt mit suprafluidem Helium betrieben werden können. Darüber hinaus zeigen instationäre Analysen, dass mit dem gewählten Designansatz die Spiegel innerhalb von etwa zwei Wochen von Umgebungs- auf Betriebstemperatur abgekühlt werden können. Im Anschluss ist, aufbauend auf der Betrachtung der Payloads als prominente Kälteleistungsverbraucher innerhalb des Detektorgesamtsystems, die Gestaltung einer umfassenden Heliuminfrastruktur beschrieben, die sämtliche Verbraucher innerhalb des ET-Systems versorgt. Hierzu zählen neben den Payloads auch thermische Schilde, bei kryogener Temperatur betriebene optische Blenden, sowie leistungsstarke Kryopumpen. Das vorgestellte Infrastrukturkonzept basiert auf einer geschlossenen Kältemittelkreislaufarchitektur mit zentral gelegenen unterirdischen Coldboxen und oberirdisch installierten Verdichterstationen. Innerhalb des Konzepts wird die Verteilung von Helium über Transferleitungen auf zwei wesentlichen Temperaturniveaus, 5 K und 80 K, ermöglicht. Basierend auf dieser Systemarchitektur ergibt sich ein elektrischer Eingangsleistungsbedarf der gesamten kryogenen Infrastruktur im stationären Betrieb von 3×850 kW. Dieser Wert basiert auf der Auslegung mit drei Kühlanlagen, angepasst an ein existierendes dreieckiges Detektorlayout des ET. Weiterhin wird unter Nutzung der Erkenntnisse aus den Untersuchungen zur kryogenen Infrastruktur und zur Payloadkühlung ein Konzept für die Gestaltung des innersten thermischen Schilds vorgestellt. Dieses gewährleistet eine homogene, konstante Umgebungstemperatur von 2 K für die Payloads und minimiert somit die Wärmelast auf die letzteren. Die vorgesehene Schildgeometrie ermöglicht ein vollständiges Kaltfahren desselben in wenigen Stunden und sorgt für geringe thermische Gradienten während des stationären Betriebs. Gezielte strukturelle Maßnahmen stellen sicher, dass die Eigenfrequenzen des Schilds außerhalb des relevanten Frequenzspektrums für die Gravitationswellendetektion liegen, wodurch stochastische Bewegungen die Messgenauigkeit des Interferometers nicht beeinträchtigen. Im Zusammenhang mit der Kühlung sowohl der thermischen Schilde, als auch der Payloads wird die Ausbreitungsgeschwindigkeit von He II-Phasengrenzen in exemplarischen Geometrien für ET analysiert. Ein entwickeltes numerisches Modell zeigt, dass die Umwandlung von He I zu He II innerhalb von Minuten erfolgen kann, selbst bei Entfernungen ≥10 m der externen Wärmesenke zur Schnittstelle im Payload. Abschließend werden verschiedene Konfigurationen zur Anbindung der Subsysteme zur Wärmeableitung aus Payload und innerstem thermischem Schild erörtert. Diese fügen sich nahtlos in das übergeordnete Heliuminfrastrukturkonzept ein. Die konkrete Umsetzung kann durch dünnwandige Rohre mit einer exemplarischen Länge von 10 m realisiert werden. Beispielhafte Rohrkonfigurationen, die den thermischen und hydraulischen Anforderungen zur Kühlung eines Payloads mit 1 W bei ca.\ 2 K entsprechen, bestehen aus insgesamt 10 bis 40 Rohren. Innerhalb dieses Intervalls nimmt der Innendurchmesser mit steigender Rohranzahl von 5.0 mm auf 2.5 mm ab. Weiterhin beinhalten die Untersuchungen Maßnahmen zur Verringerung der mechanischen Kopplung zwischen Payloads bzw. Schilden und deren Umgebung über die Rohrbündel. Hierzu zählen mehrstufige Entkopplungseinheiten, kleinskalige Metallbälge, sowie ergänzend implementaierte pendelbasierte Dämpfungen. Die in dieser Arbeit präsentierten Ergebnisse belegen die prinzipielle Umsetzbarkeit der entwickelten, heliumbasierten kryogenen Infrastruktur. Ebenso wird die Realisierbarkeit des darin eingebetteten Konzepts zur Kühlung der Payloads und innersten thermischen Schilde zur Erfüllung der betrieblichen Anforderungen im Einstein-Teleskop nachgewiesen. Damit wird die Grundlage für spezifische Entwicklungsarbeiten zur Überführung der umfassend untersuchten Konzepte in ein physisch realisierbares und betriebssicheres System gelegt. Neben der Konzeption und detaillierten Modellierung neuartiger Bauteile eines maßgeschneiderten Kühlsystems leistet die Arbeit einen wesentlichen Beitrag zur Vorbereitung zukünftiger zielgerichteter Testkampagnen. Auf diese Weise werden die Voraussetzungen für die Durchführung experimenteller Machbarkeitsnachweise des suprafluiden Heliumkühlkonzepts in interferometrischen Gravitationswellendetektoren geschaffen.