Honderd jaar Leiden koudste plaats op aarde
Honderd jaar geleden slaagde Heike Kamerlingh Onnes er als
eerste in heliumgas vloeibaar te maken. Leiden werd daarmee de
koudste plaats op aarde. Donderdag 10 juli wordt met de
onthulling van een borstbeeld en de opening van verschillende
tentoonstellingen hierbij uitgebreid stil gestaan.
Foto: Harm Kamerlingh Onnes, Portret prof.dr. Heike Kamerlingh
Onnes, 1921.Olieverf op doek, 80 × 72 cm. Particuliere
collectie. Foto Tom Haartsen.
Koudste plekje
Vrijdag 10 juli 1908 was een zeer middelmatige zomerdag. Het
kwik kwam in De Bilt die dag niet boven de 21 graden en het
egaal grijze wolkendek zal zich ook wel uitgestrekt hebben tot
boven Leiden. Alles bij elkaar was het weerbericht geheel
vergelijkbaar met dat van precies 100 jaar later. Aan de andere
kant deed het er eigenlijk niet zo veel toe hoe koud of warm
het werd. Leiden had die dag in ieder geval toch het koudste
plekje dat er ooit op aarde geweest was: in het laboratorium
van Heike Kamerlingh Onnes aan de Steenschuur.
Van der Waals
Kamerlingh Onnes was al sinds 1882 deelnemer aan de
internationale race om de koudste temperatuur op aarde te
bereiken. `Zijn koudeonderzoek was geen doel op zich, maar een
middel om een wetenschappelijk programma dat hij had opgesteld,
uit te kunnen voeren', vertelt Dirk van Delft, hoogleraar
Materieel erfgoed van de Natuurwetenschappen en directeur van
Museum Boerhaave. `En hij was daar vanaf zijn aanstelling in
Leiden onmiddellijk mee begonnen. Hij wilde de theorie van
Johannes Diderik van der Waals toetsen.' Van der Waals was in
1877 in Leiden gepromoveerd op zijn beroemd geworden
verhandeling Over de continuiteit van den gas- en
vloeistoftoestand.
Foto: Johannes Diderik van der Waals (1837-1923). Collectie
familie Van der Waals.
Gecontroleerde manier
Van Delft: `Wil je de overgang van vloeistof naar gas waarnemen
en onderzoeken, dan moet je dat gas wel eerst vloeibaar zien te
maken. Bovendien werk je als fysicus het liefst met eenvoudige
stoffen, dus geen organische of chemische verbinding met vele
soorten atomen, maar iets simpels als zuurstof of stikstof.
Juist gassen bestaande uit eenvoudige moleculen worden pas bij
extreem lage temperaturen vloeibaar. De overgangstemperatuur
van zuurstof (-183º C) en stikstof (-196º C) was al sinds 1877
bekend. Het was voor Kamerlingh Onnes dus niet meer de sport om
die gassen vloeibaar te krijgen, maar wel in grote hoeveelheden
op een gecontroleerde manier, zodat je er experimenten mee kon
doen.'
Joule-Thomsonkoeling
Later kwam ook waterstof (-253º C) in beeld als kandidaat om
vloeibaar gemaakt te worden. Dat werd mogelijk met de
zogenoemde Joule-Thomsonkoeling die in 1895 werkbaar werd. `De
Joule-Thomsonkoeling werkt volgens het omgekeerde principe van
een fietspomp', vertelt Peter Kes, hoogleraar Experimentele
natuurkunde. `Als je een band oppompt worden door het
samenpersen van de lucht de slang en het ventiel heet. Als je
nu een gas dat eerst onder hoge druk is gebracht, laat
uitzetten, wordt het juist heel koud.' Kamerlingh Onnes bouwde
in het laboratorium aan de Steenschuur een fabriek waarmee
volgens dit principe gassen steeds kouder gemaakt konden
worden.
Absolute nulpunt
In hetzelfde jaar van de Joule-Thomsonkoeling werd voor het
eerst helium op aarde aangetoond. Helium is het gas dat
Kamerlingh Onnes op 10 juli 1908 met succes vloeibaar maakte.
Helium heeft van alle elementen het laagste kookpunt, 4,2
Kelvin, dus ruim vier graden boven het absolute nulpunt
(-273,15º C). Van Delft: `Kamerlingh Onnes' doel was niet
zozeer om het absolute nulpunt te bereiken, maar om stap voor
stap al de gassen vloeibaar te krijgen, die hij voor zijn
onderzoek wilde gebruiken. Helium was voor hem koelmiddel en
onderzoeksstof tegelijk. Hij wilde de wet van de
overeenstemmende toestanden van Van der Waals controleren. En
hij wilde zien welke afwijkingen er eventueel optraden en aan
de hand van die afwijkingen de wetten bijstellen en iets over
de structuur van moleculen en hun onderlinge aantrekkingskracht
te weten te komen.'
Het laboratorium aan de Steenschuur in Leiden, kort na de
oplevering. Natuurkunde was gevestigd in de rechtervleugel.
Foto Academisch Historisch Museum, Leiden.
Spiraalbuis
In het apparaat van Kamerlingh Onnes liep het heliumgas door
een spiraalbuis. Aan het eind van de kringloop kwam het
uiteindelijk bij een soort prop uit, waar het onder hoge druk
doorheen ging en expandeerde. Van Delft: `Dan koelt het dus een
beetje af en de volgende ronde koelt het weer een beetje meer
af. Als je dat maar steeds herhaalt, zakt de temperatuur naar
steeds lagere waarden. Van belang daarbij is de kritische
temperatuur. Die is voor ieder gas verschillend. Je moet
beneden de kritische temperatuur zitten om het vloeibaar te
kunnen krijgen.' Kes: `De temperatuur van vloeibaar helium is
4,2 K(elvin) bij een druk van één atmosfeer. Als je die druk
verlaagt door de heliumdamp weg te pompen, wordt het op zijn
koudst 1,5 K. Kamerlingh Onnes haalde honderd jaar geleden 1,8
K.'
Supergeleiding
Toen Kamerlingh Onnes eenmaal vloeibaar helium had, wilde hij
het ook kunnen gebruiken voor zijn experimenten. Daarvoor moest
hij het zien over te hevelen naar een apart vat, met voldoende
ruimte om er een te onderzoeken preparaat in te hangen. `Dat
lukte hem in 1911', zegt Kes. `Kort daarna heeft hij in een dun
glazen buisje gevuld met bevroren kwik supergeleiding - het
wegvallen van de elektrische weerstand in een metaal beneden
een voor dat metaal karakteristieke temperatuur - ontdekt.' De
principes van de koeling met vloeibaar helium en supergeleiding
worden tegenwoordig veelvuldig toegepast in onder andere
MRI-scanners. Door de supergeleiding produceren de enorme
elektromagneten in dat apparaat geen warmte, zodat ze kunnen
worden gebruikt bij het scannen van levend weefsel.
Foto: Gerrit Jan Flim (links) en Heike Kamerlingh Onnes bij de
installatie voor vloeibaar helium. Foto Leiden Institute of
Physics.
Sluitstuk
Van Delft: `Het vloeibaar maken van helium in 1908 was het
sluitstuk van een strak doordachte en met heel veel
organisatietalent doorgevoerde megaoperatie. Het stichten van
de instrumentmakerschool die technische ondersteuning bood, al
die activiteiten om geld los te peuteren: Kamerlingh Onnes was
behalve een goed fysicus ook een uitstekend organisator.
Allemaal met het doel de koudefabriek te bouwen en helium
vloeibaar te maken. Toen hij dat allemaal achter de rug had,
kwam de supergeleiding als een geschenk uit de hemel vallen.
Enerzijds dat grote planmatige en anderzijds het doen van een
totaal onverwachte ontdekking.'
Stapjes
Honderd jaar na Kamerlingh Onnes' succes doet Leiden nog steeds
mee in de race om de laagste temperatuur te bereiken. Alleen
gaat het nu niet meer om stappen van hele graden Kelvin, maar
om stapjes van milli- en micrograden. Kes: `We streven ernaar
om het onderzoek de richting op te buigen dat je koude echt
nodig hebt om nieuwe fenomenen te onderzoeken.' Dirk
Bouwmeester koelt met een optische methode microspiegeltjes en
wil daarbij een zo laag mogelijke uitgangstemperatuur bereiken,
terwijl Tjerk Oosterkamp wil gaan onderzoeken hoe eiwitten in
een membraan gevouwen zitten. Om de plaats van alle moleculen
te kunnen bepalen moet hij zijn experiment ook bij hele lage
temperatuur uitvoeren, bij 0,1 milligraad.
Evenementen
Voor donderdag10 juli is een groot aantal evenementen gepland.
Rond het middaguur begint het bij het Kamerlingh Onnesgebouw,
het oude laboratorium waarin nu de rechtenfaculteit gevestigd
is, met de onthulling van een borstbeeld door de burgemeester.
In het gebouw wordt een fototentoonstelling geopend over
Kamerlingh Onnes' tijd en worden de eerste exemplaren van het
boek `Eene verzameling ontplofbare toestellen' uitgereikt.
Later in de middag vindt in de opening van de tentoonstelling
Kamerlingh Onnes. Een familie in Koude en Kunst plaats.
Kamerlingh Onnes stamde uit een artistieke familie en er zijn
veel tekeningen en schilderingen met de kou als onderwerp. In
opent de tentoonstelling Jacht op het absolute nulpunt . Verder
zijn er zowel in de Universiteitsbibliotheek als de oude UB
kleinere tentoonstellingen. Ook zijn er wetenschappelijke
activiteiten. Van 4 tot 8 augustus is er in het Lorentz Center
een workshop van wetenschapshistorici over het koude en
internationale samenwerking. Ten slotte wordt er van 6 tot 13
augustus een wetenschappelijk congres over het moderne
koudeonderzoek gehouden in Amsterdam waar 1300 fysici uit meer
dan 40 landen aan deelnemen.
Universiteit Leiden