Het ILO-net en Mikrocentrum hebben het initiatief genomen om enkele malen per jaar gezamenlijk een themabijeenkomst te organiseren.
Recent hebben we de doelstelling en het karakter van die bijeenkomsten nader vastgesteld. De bijeenkomsten vinden plaats op de middag van 15 mei en 18 september, en de resultaten daarvan zullen worden meegenomen voor een verdere invulling van de bijdrage vanuit ILO-net aan het Big Science programma tijdens de Precisiebeurs op 13 en 14 november 2019.
Motto: Technologische Uitdagingen
De beide themabijeenkomsten zijn gratis toegankelijk en worden georganiseerd onder het motto; "Technologische Uitdagingen". Het gaat dan om de uitdagingen waarvoor de Big Science organisaties zich in de komende jaren gesteld zien bij de ontwikkeling van grootschalige infrastructuur.
Uitdagingen die vragen om een oplossing door middel van hechte samenwerking tussen wetenschap en industrie. Door het identificeren van deze uitdagingen hopen we een bijdrage te kunnen leveren aan een verbetering van de participatie van de Nederlandse industrie aan Big Science programma’s. In het bijzonder aan de bevordering van co-development tussen onderzoeksinstituten en bedrijven, aan een betere uitgangspositie voor het verwerven van opdrachten vanuit de Big Science organisaties, en uiteindelijk aan het tot stand komen van innovaties en spin-offs voortkomend uit industriële betrokkenheid bij Big Science.
Het is de bedoeling dat de bijeenkomsten goed aansluiten op de sterkten van de Nederlandse expertise en know-how. Dat kan betekenen dat al een zeker track-record is opgebouwd in bepaalde technologiegebieden en/of dat er ambitie is om verdere kennis en expertise op te bouwen in de komende jaren. Daarbij speelt de Nationale Wetenschapsagenda en de roadmap Grootschalige Infrastructuur een belangrijke rol op de voorgrond. Immers, de ontwikkeling daarvan vraagt (ook) om een goede samenwerking tussen wetenschap en industrie.
Voor de bijeenkomst op 15 mei a.s. is gekozen voor het thema "Thermal Challenges".
Het kan hierbij gaan om b.v. kwesties van extreme thermo-mechanische stabiliteit, precisie- of koelingsaspecten (incl. cryogeen). Het onderwerp voor de bijeenkomst op 18 september wordt nog bepaald. Beide bijeenkomsten worden afgesloten met een aantal uitdagingen die wetenschap en industrie gezamenlijk kunnen en willen aanpakken. Daarmee ontstaat hopelijk ook een helder profiel van de Nederlandse ambities en focus voor Big Science. Enerzijds is dit profiel van belang voor de Big Science organisaties waar Nederland aan bijdraagt, anderzijds ook voor de huidige discussie over de ontwikkeling van sleuteltechnologie als onderdeel van het Nederlandse overheidsbeleid.
De agenda voor de bijeenkomst op 15 mei is:
- 13.30 - Ontvangst/inloop
- 14.00 - Isolatie voor ATHENA/XIFU (SRON/Mecon)
- 14.30 - Trillingsvrij koelen (E-ELT en Einstein Telescoop) (NIKHEF/UniTwente)
- 15.00 - Koeling voor SKA (ASTRON/Thales Cryogenics)
- 15.30- Pauze
- 16.00 - Special: Supergeleiding tbv CERN, ITER/DEMO (UniTwente)
- 16:15 - Special: Data-driven modellering van thermische systemen voor Big Science en industrie (DIFFER)
- 16.30 - Thermal control of charged particle equipment (TUe/VDL)
- 17.00 - Discussie en conclusies
- 17.30-18.30 - Netwerkborrel
NB.: Onder voorbehoud: lezing over de thermische uitdagingen van de ET.
Aanmelden
U kunt zich hier voor deze bijeenkomst aanmelden
Praktische informatie:
Locatie: Mikrocentrum, De Run 1115, Veldhoven
Tijd: 13.30 tot 18:30
Inhoud van de presentaties
14.00 uur - Isolatie voor ATHENA/XIFU (SRON/NTS Mecon)
Thermal-mechanical suspension of X-ray space detectors
X-IFU (X-ray Integral Field Unit) is one of two instruments onboard the ESA ATHENA observatory, an L-class mission to be launched in 2031. The X-IFU Focal Plane Assembly (FPA) will contain the instrument's large-format transition edge sensor (TES) microcalorimeter array and its superconducting readout electronics, plus a second TES detector, located behind the main sensor array, used to detect and reject high-energy cosmic rays and secondary particles passing through the sensor array.
Within the FPA a two-stage thermal suspension system will isolate the detectors operating at nominally 50 mK from the FPA mechanical interfaces at 2 K. An intermediate temperature stage operated at nominally 300 mK is implemented as a heat intercept. A pre-tensioned Aramid fiber based construction is used for this thermal insulation. The use of Aramid fibers is driven by its low thermal conductivity at low temperatures in combination with high mechanical stiffness and strength. It poses challenges on the design to ensure that the forces are correctly transferred from the surrounding structure into the cords without the loss of pre-tension or failure under all conditions. Furthermore the aramid fiber cords elongate while cooled down whereas the surrounding structure contracts. SRON is collaborating with NTS Mecon for further development of this Aramid fiber based suspension under an ESA funded GSTP contract. This contract focusses on optimization of the cord assembly strength, demonstration of the two-stage suspension and implementation of a reliable production process.
14.30 - Trillingsvrij koelen (E-ELT en Einstein Telescoop) (NIKHEF/UniTwente)
The University of Twente has developed a sorption-based thermal compressor that can be used to compress a working fluid and drive a cryogenic cooling loop without mechanically moving parts. Thus a cooling technology is established of which the exported vibration level is extremely low, if measurable at all. Based on an analysis in one of our space related projects we can state that the exported forces are below the microNewton level.
The technology is based on the cyclic adsorption and desorption of a working fluid on activated carbon. When the carbon is heated the working fluid is desorbed and can build up a high pressure. By feeding the high-pressure gas into a cold stage where it is allowed to expand, cooling is established at that point. We developed two coolers for space applications in ESA projects: a helium-based cooler to establish 4 K starting from 50 K, and a hydrogen-based cooler to generate 18 to 30 K starting from a 90 K platform. The latter cooler has been qualified to TRL 5 (meaning it has been on a mechanical shaker qualifying it for launch loads). Furthermore, a 3 –stage cooler configuration was designed for the optics of the METIS experiment at the European Extremely Large Telescope (E-ELT). Starting from a subcooled liquid-nitrogen bath at 70 K, cooling stages of 40K and 25 K were established for the METIS optics, whereas the final stage was at 8K for the detector. Currently, this sorption-based vibration-free technology is candidate to be used for cooling the mirrors in the Einstein Telescope.
16.00 uur - Supergeleiding tbv CERN, ITER/DEMO (NIKHEF/UniTwente)
Thermal Challenges in Superconducting Cables and High Temperature Superconducting Systems
Superconductors are essential when magnetic fields of the order of 10 T need to be generated with a relatively compact and energy-efficient system. Superconducting magnets are thus key technology for current and future Big Science projects such as LHC/FCC and ITER/DEMO. Thermal challenges in these superconducting systems are mostly related to thermal stability.
In fusion reactors, NbTi and Nb3Sn have a well-proven ability to carry the required currents of 70 kA in magnetic fields up to 13 T. However, the present sizable cabled conductors are not optimized for the highly dynamic plasma operating conditions, due to lack of understanding of the complex interaction between electromagnetic, mechanical and thermal phenomena. The continuously varying currents and magnetic fields during a plasma scenario result in AC power losses with local and distributed peak dissipation and temperatures in the composite superconducting cables. For enhanced thermal stability, it is crucial to minimize the AC power loss. The various conductor concepts that are presently being considered are designed without adequate knowledge of their potential for transient stability. The thermal conductor performance in relation to plasma operating conditions is not yet well-predicted, and can thus only be validated experimentally after construction and testing of model coils. This is a very costly way of conductor optimization. The University of Twente has already demonstrated that detailed modeling can solve conductor issues such as cyclic degradation at ITER. Further development of multi-physics conductor- and coil models that allow to solve the combined electromagnetic, mechanical and thermal optimization challenges, is becoming increasingly crucial.
Both in a fusion- and a high-energy related context, the development of high-temperature superconducting (HTS) cables and magnets is largely driven by the higher-field capability and/or the increased compactness that they offer at liquid-helium temperature. However, the ensuing availability and maturity of HTS materials has also led to the pursuit of superconducting systems that can outperform conventional copper-based technology in a wide application range in Big Science as well as in ‘spin-out’ applications. These typically involve temperatures in the range 20 – 77 K. These 20-77 K applications of HTS cables and magnets pose several thermal challenges. From a technical point, user-friendliness and autonomy dictate that such systems are conduction-cooled, i.e. able to operate without a liquid cryogen and a dedicated cryo-plant. Especially for larger systems, highly-efficient heat transport to a central cooler then becomes a major issue. From a more fundamental point, higher operating temperatures imply higher heat capacity, which renders the system in principle more stable but also more difficult to protect against thermal runaways. Also here efficient cooling is key, especially in high-thermal-load applications (e.g., motors and actuators, beam-switching magnets for accelerators).
16:15 uur Data-driven modellering van thermische systemen voor Big Science en industrie (DIFFER)
In de Nederlandse industrie, big science community, maar ook bijvoorbeeld in de medische wereld worden de thermische aspecten van systemen steeds belangrijker en complexer. Deze thermische aspecten worden nauwkeurigheid limiterend, zoals bijvoorbeeld thermische vervormingen op de nanometerschaal die leiden tot productiefouten in de lithografie en kunnen heel gevoelige metingen verstoren (zoals in zwaartekracht-golvenonderzoek). Anderzijds zijn er toepassingen met extreme warmtebelastingen (zoals fusiereactor of 3D printen). Uiteindelijk zullen de Nederlandse kennisinstituten de big science en industrie, moeten leren hoe wij deze thermische processen kunnen controleren om onze verschillende eisen te halen en doelen te kunnen bereiken.
Dit kan doormiddel van statische designs of doormiddel van het dynamisch koelen en verhitten. In beide gevallen zijn accurate modellen nodig van de processen die vaak heel complex zijn. Deze complexiteit vereist dat de modellen tenminste gevalideerd worden of meestal direct op data gebaseerd moeten zijn om de vereiste accuraatheid en snelheid te kunnen garanderen. Alhoewel de tijds-, en lengteschalen heel anders zijn voor de verschillende toepassingen, zijn de onderliggende wiskundige beschrijvingen exact hetzelfde. Strategieën om goede thermische modellen te extraheren zijn nodig, en deze zijn identiek voor big science en industrie.
Het is cruciaal dat de Nederlandse kennisinstituten, de big science community en industrie intensief gaan samenwerken op dit onderwerp.
16.30 uur - Thermal Control of Charged Particle Equipment voor ITER/DEMO (TUe/VDL)
To improve the accuracy and repeatability of high-tech equipment, thermal control needs to be further investigated and improved. For this presentation we will focus on thermal control of charged particle equipment. The first part of the presentation will focus on the electron microscope, where a special metal printed heat exchanger is used to precisely control the temperature of an objective lens. We will describe all aspects of thermal control of the heat exchanger, going from the design phase, via the manufacturing to the service phase. In the second part of the presentation the focus is on nuclear fusion reactors. The largest nuclear fusion reactor so far is ITER, which is currently under construction and is expected to produce its first plasma in 2025. ITER is pushing the limits of conventional technology to handle the heat flux at the most critical region called the divertor. Its successor, the DEMO reactor, will double that heat flux, and conventional methods are not expected to provide adequate protection. A 3D-metal-printed heat pipe array is proposed to protect the DEMO divertor from the burning plasma. We will describe the first design of the heat pipe, and the results obtained from initial experiments.