Innovazione a temperatura ultrabassa: i sistemi criostatici integrati aprono la strada a guadagni di produttività – Physics World

<a data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/03/ultralow-temperature-innovation-integrated-cryostat-systems-open-up-productivity-gains-physics-world.jpg" data-caption="Roba forte Vista interna del criostato Pony installato presso l'Argonne National Laboratory a febbraio. Il Pony fornisce agli utenti scientifici un raffreddamento sub-Kelvin continuo e un ampio spazio sperimentale comodo da aprire e chiudere. (Per gentile concessione: Danaher Cryo) ” title=”Click to open image in popup” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/03/ultralow-temperature-innovation-integrated-cryostat-systems- open-up-productivity-gains-physical-world.jpg”>

Mentre ad alcuni piace il caldo, ad altri piace mantenere le cose fredde – ultrafredde per essere precisi. Un caso di studio a questo proposito è Criogenia Danaher, progettista e produttore con sede negli Stati Uniti di sistemi criostatici sub-Kelvin integrati per diverse applicazioni nella ricerca scientifica e nella ricerca e sviluppo industriale. Con sede a Boulder, in Colorado, la start-up tecnologica nata due anni fa ha fissato un livello elevato per se stessa nel regime di temperatura ultrabassa, evidenziato da una dichiarazione di intenti per “perseguire il quasi impossibile con soluzioni eleganti e classiche per un ottimale prestazioni criogeniche – dal concetto iniziale alla realizzazione”.

Se questo è il retroscena, quali sono i dettagli? Al centro del modello di business di Danaher Cryo ci sono la collaborazione e l’innovazione criogenica, ovvero la collaborazione con i principali fornitori di tecnologia e con gli utenti finali. “Ciò di cui sono orgoglioso – e ciò per cui miriamo qui – è essere molto più di un semplice fornitore di apparecchiature transazionali”, spiega Charlie Danaher, presidente e fondatore di Danaher Cryo. In parole povere: l’obiettivo per Danaher e i suoi colleghi è lo sviluppo collaborativo del prodotto, “per capire di cosa hanno bisogno i clienti a livello granulare e quindi trovare la soluzione fredda ottimale in termini di progettazione, sviluppo e implementazione del criostato”.

Collaborare, innovare, accelerare

A livello principale, la base clienti in evoluzione di Danaher Cryo si divide in tre gruppi elettorali principali: gruppi di ricerca con sede universitaria; Laboratori nazionali statunitensi, compresi quelli vicini Laboratori Boulder del National Institute of Standards and Technology (NIST).; nonché appaltatori del settore aerospaziale e della difesa negli Stati Uniti e oltre.

"Ci siamo guadagnati la reputazione di lavorare fianco a fianco con i clienti per soddisfare i loro requisiti sub-Kelvin in una serie di progetti scientifici e ingegneristici", spiega Danaher. Pensa a casi d’uso all’avanguardia come i rilevatori di singoli fotoni per la radioastronomia; Esperimenti sulla linea di fascio di raggi X e neutroni; e studi di microscopia con sonda a scansione di superconduttori ad alta temperatura.

<a data-fancybox data-src="https://physicsworld.com/wp-content/uploads/2024/02/web-Charlie_Edited-103.jpg" data-caption="Charlie Danher "Ci siamo guadagnati la reputazione di lavorare fianco a fianco con i clienti per soddisfare i loro requisiti sub-Kelvin." (Per gentile concessione: Danaher Cryo)” title=”Fare clic per aprire l'immagine in popup” href=”https://physicsworld.com/wp-content/uploads/2024/02/web-Charlie_Edited-103.jpg”>

“Tra i nostri mercati di crescita prioritari c’è la catena di fornitura emergente della tecnologia quantistica”, aggiunge Danaher, “dove le temperature criogeniche sono essenziali per la ricerca e lo sviluppo dei materiali e lo sviluppo di dispositivi nelle applicazioni di rilevamento quantistico, reti quantistiche e informatica quantistica”.

Danaher, dal canto suo, non è estraneo all’innovazione collaborativa. Prima di lanciare Danaher Cryo nell'aprile 2022, ha trascorso 25 anni in ruoli senior di sviluppo prodotto e ingegneria presso Cryogenic Technical Services (CTS) e High Precision Devices (HPD), lavorando a stretto contatto con una serie di clienti di alto livello come Boeing, Atomica generale, Lawrence Livermore National Laboratory, Università di Harvard, NASA e NIST.

La stessa mentalità rivolta all’esterno informa l’approccio commerciale di Danaher Cryo, anche per quanto riguarda le partnership tecnologiche. Il principale tra questi è il legame dell'azienda con Chase Research Criogenia (CRC), un produttore britannico specializzato di raffreddatori ad assorbimento in grado di generare temperature inferiori a Kelvin (anche fino a <0.1 K). “La partnership strategica con CRC è in atto da 18 mesi”, afferma Danaher, “con i raffreddatori Chase che fungono da elemento fondamentale all’interno dei nostri sistemi criostatici sub-Kelvin completamente integrati”.

Un altro partner di alto profilo è Criogenica di Leida, con Danaher Cryo che gestisce le vendite di frigoriferi a diluizione per il produttore olandese di apparecchiature in tutto il Nord America. "Non ci limitiamo a elaborare gli ordini di acquisto", afferma Danaher. "Facilitiamo l'installazione, la messa in servizio e l'accettazione dei prodotti Leiden, nonché il supporto continuo per l'assistenza e la manutenzione."

Più vicino a casa, è in corso una collaborazione tecnologica con il NIST e il University of Colorado Boulder (CU Boulder), con Danaher Cryo posizionato come partner esclusivo per la commercializzazione del cosiddetto criorefrigeratore a tubi a impulsi Adaptive Cooling Technology (ACT). Mentre i frigoriferi a tubi a impulsi della generazione attuale sono progettati specificamente per il funzionamento stazionario, a temperatura base, il design ACT fornisce la regolazione dinamica delle prestazioni di raffreddamento, funzionalità che ha un impatto particolarmente significativo durante la fase di raffreddamento del funzionamento.

Grazie a un accordo di ricerca e sviluppo cooperativo (CRADA), Danaher Cryo ha ora un'opzione esclusiva per concedere in licenza l'innovazione tecnologica ACT (recentemente brevettata da CU Boulder). "I grandi sistemi criogenici possono avere tempi di raffreddamento che vanno da un paio di giorni a più di un mese", afferma Danaher. “Il design del tubo a impulsi ACT può ridurre questi tempi di oltre il 50%: una proposta convincente in termini di efficienza del flusso di lavoro e produttività di ricerca e sviluppo”. 

Tecnologie fantastiche, scienza fredda

Mentre il sistema criogenico ACT è in fase di lancio per il rilascio commerciale completo nella seconda metà del 2025, Danaher Cryo offre già un portafoglio completo di sistemi criostatici a raffreddamento continuo e one-shot: un portafoglio di prodotti che sarà presentato alla fiera Riunione di marzo dell'American Physical Society (APS). a Minneapolis, Minnesota, la prossima settimana.

I sistemi di raffreddamento continuo mantengono la temperatura di base indefinitamente e comprendono il Pony (con una capacità di raffreddamento fino a 825 mK), Bronco (<300 mK) e il Charger (completamente integrato con il mini frigorifero a diluizione di CRC per il raffreddamento fino a 100 mK) . I sistemi criostatici one-shot, invece, forniscono un raffreddamento limitato nel tempo fino a 30 ore e comprendono Colt (temperatura di base 850 mK), Palomino (300 mK) e Mustang (200 mK).

<a data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/03/ultralow-temperature-innovation-integrated-cryostat-systems-open-up-productivity-gains-physics-world-2.jpg" data-caption="Gioca ai tuoi punti di forza La nuova sospensione in Kevlar e lo stadio campione di Danaher Cryo possono essere inclusi in qualsiasi sistema criostato a raffreddamento continuo o one-shot dell'azienda. (Per gentile concessione: Danaher Cryo)” title=”Fare clic per aprire l'immagine nel popup” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/03/ultralow-temperature-innovation-integrated-cryostat-systems- open-up-productivity-gains-physical-world-2.jpg”>

È significativo che il team Danaher Cryo abbia effettuato la sua prima installazione presso il cliente all'inizio di questo mese, con il criostato Pony installato e accettato presso il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti Argonne National Laboratory alla periferia di Chicago. "Il Pony combina il raffreddamento continuo sub-Kelvin con la facilità di accesso all'area fredda e al campione da testare", spiega Danaher.

Gli scienziati di Argonne utilizzeranno il criostato per testare e caratterizzare rilevatori di particelle superconduttrici a nanofili per applicazioni nella fisica nucleare. "Grazie all'ampio spazio sperimentale del Pony, il sistema verrà utilizzato per testare wafer interi prima della sminuzzatura", osserva Danaher. “Successivamente, i wafer verranno tagliati a cubetti e i chip selezionati verranno utilizzati per esperimenti sulla linea di luce”.

Danaher, da parte sua, desidera anche evidenziare i vantaggi del sistema Charger, in particolare il raffreddamento continuo da 100 mK “senza i problemi” tipicamente associati ai frigoriferi a diluizione. "Stiamo sfruttando il sottosistema CMD (Continuous Miniature Dilutor) di CRC", spiega. Il CMD è un piccolo frigorifero autonomo che richiede solo pochi litri di gas elio. Non è necessaria alcuna gestione esterna del gas, il che, a sua volta, elimina il servizio richiesto per le pompe e riduce le possibilità di costose perdite di gas.

“Per estensione”, aggiunge Danaher, “il criostato Charger richiede meno di 1 m² di spazio di laboratorio – senza contare il sistema di controllo compatto – mentre in genere la maggior parte dei frigoriferi a diluizione consumerebbe più del doppio.”

A livello interno, nel frattempo, la continua innovazione dei prodotti rimane la priorità per Danaher e il suo capo progettista di criostati Bryan Schiffner. Con questo in mente, al meeting di marzo dell'APS verrà svelata anche una nuova sospensione in Kevlar che può essere inclusa in qualsiasi criostato dell'azienda. In parole povere, la sospensione in Kevlar è integrata nel criostato per fornire agli scienziati una piattaforma per installare il campione o l'insieme sottoposto a test a bassa temperatura senza rischiare di danneggiare il dispositivo di raffreddamento ad assorbimento CRC.

"La sospensione in Kevlar supporta un palco di campionamento che garantisce la vicinanza al dispositivo di raffreddamento", conclude Danaher. “In questo modo, possiamo garantire che il criostato sia scientificamente utile grazie a un tavolino portacampioni robusto, durevole e spazioso”.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/ultralow-temperature-innovation-integrated-cryostat-systems-open-up-productivity-gains/