Kühlung: Möglichst nahe am absoluten Nullpunkt

Minus 10 bis plus 35 Grad: Weiter reicht die natürliche Temperaturspanne in Deutschland kaum. Daher wird die Bedeutung und der große Bereich der Temperatur weit unterschätzt. Tatsächlich reichen die in der Natur und im Labor zugänglichen Temperaturen von einer Milliarde Grad – oder in der Fachsprache 10⁹ Kelvin (K) – im Zentrum der heißesten Sterne bis zu zwei Millionstel Kelvin – 2x10^-6 K –, der tiefsten Temperatur zu der kondensierte Materie im Labor gekühlt werden konnte.

Atomkerne und extrem verdünnte Gase konnten sogar bis auf einige Nanokelvin an den absoluten Nullpunkt (0 K = –273,15°C) heran abgekühlt werden. Damit ist es gelungen, im Labor Temperaturen zu erreichen, die viele Größenordnungen unter der tiefsten Temperatur im Weltall liegen. Diese Temperatur liegt bei 2,73 K. Dieser Wert wird noch immer durch die Strahlung vom Urknall bei der Entstehung des Weltalls aufrecht erhalten. Die Temperatur ist der wichtigste Parameter, den Physiker benutzen, um die Eigenschaften von Materie zu variieren und sie dadurch besser zu verstehen und nutzbar zu machen.

Temperaturskala

Prinzip der Kühlung

Der einfachste Weg der Kühlung: ein zu kühlende Material wird in Kontakt mit etwas Kälterem gebracht. Aber wenn nichts Kälteres zur Verfügung steht, wird es komplizierter. Physiker müssen hierzu neue teilweise recht aufwändige Wege beschreiten. Um die Techniken zu verstehen, muss klar sein, was „Temperatur“ eigentlich bedeutet: Die Temperatur eines Materials ist nur eine Umschreibung für die kinetische Energie der Atome und Moleküle, aus denen das Material aufgebaut ist. Schon 1738 hatte David Bernouilli gezeigt, dass für die Temperatur T eines Gases gilt „T ist proportional zu v²“, wobei v die Geschwindigkeit der Gasatome ist. Das Gleiche gilt für Flüssigkeiten und Festkörper. In einem „heißen“ Festkörper schwingen die Atome oder Moleküle mit höherer Geschwindigkeit um ihre Ruhelage als in einem kälteren Festkörper.

Wenn man also die Temperatur eines Materials herabsetzen will, muss man die kinetische Energie seiner mikroskopischen Bausteine reduzieren. Dafür gibt es prinzipiell zwei Möglichkeiten. Entweder muss man ein Gas Arbeit verrichten lassen oder man muss dem Material auf geeignete Weise einen Teil der in ihm enthaltenen, unterschiedlichsten Energiearten entziehen. Wenn das adiabatisch erfolgt, also ohne dass das Material wieder Energie aus der Umgebung aufnehmen kann, dann gleicht es diesen Verlust durch Entnahme von kinetischer Energie aus den Schwingungen seiner Bestandteile aus. Die Folge die Energieentnahme: Das Material wird kälter.