Superisolation – Niels Bohr Institutet - Københavns Universitet

20. november 2008

Superisolation

Hej Spørg om Fysik
Jeg talte med en kollega for noget tid siden om termodynamik, hvor vi var enige om, at en gang imellem er termodynamikken utilstrækkelig til at forklare visse observationer.

Han fortalte bl.a. om en afdeling på CERN, som havde et rør med flydende kvælstof. Af en eller anden grund havde de viklet 40 lag aluminiumsfolie omkring røret, og det havde en voldsom isolerende effekt, således at man kunne holde på røret med de bare hænder.

Normalt er aluminium jo en rigtig god varmeleder, så hvorfor virker det så isolerende i dette tilfælde. Min kollega havde hørt fra en tysk professor, at det kunne forklares med kvantefysik (nanofysik?) - men vi fik aldrig forklaringen.

Er der noget om snakken og hvad er forklaringen? Historien melder ikke noget om, at det absolut skal være 40 lag, eller det var et tilfælde.

På forhånd tak!

Med venlig hilsen
F R

Det er et system man kalder superisolation. Det er ikke kun aluminiumsfolie, men en folie belagt med plastik, som er udformet sådan, at det isolerer, og at der kommer et lille mellemrum imellem de meget tynde aluminiumslag.

Ofte laves aluminiumslaget ved pådampning på plastikken direkte. Mellemrummet kan skabes ved, at der ligger glasfibertråde i plastikken. Superisolationen monteres ved kryoforsøg omkring de kolde områder normalt i vakuummet omkring kryodelene.

Ideen er, at varmestrålingen for det første reflekteres af de blanke overflader, dernæst den stråling som opstår fra lag til lag følger Plancks strålingslov (Karl Ernst Ludwig Marx Planck 1858 - 1947). Denne lov opstilledes i 1893 - 1899. Se lidt mere om Planckkurver i: Ild, glødelampelys og Poissons plet her i denne spalte. Denne lov kan for strålingen skrives at strålingsenergien pr. fladeenhed, E, vokser med den absolutte temperatur, T, som E = σ* T4 og kaldes i denne udgave Stefan - Boltzmanns lov (Ludwig Boltzmann 1844 - 1906, Joseph Stefan 1835 - 1893), denne lov blev opstillet i 1879 altså før den mere generelle Plancks strålingslov, denne lov er et specialtilfælde af strålingsloven.

Man kan let ved regninger se, at hvis man i stedet for et stort temperaturspring opdeler det i mange små, bliver strålingen på grund af potensen på T meget hurtigt meget lille. Da energitilførslen til lavtemperaturopstillinger i det store og hele består i varmeledning (som minimaliseres med tynde vægge i beholdere og valg af materiale med lille varmeldeningsevne f.eks. rustfrit stål) via apparatvægge og stråling, er det en effektiv løsning.

Strålingsmaksimet ligger fra ca. 10 µm ved stuetemperatur til 700 µm ved lavtemperatur. Blanke overflader kan reducere strålingen til 1/100. Har man N lag folie kan det vises, at da strålingen scaler som T14 - T24 , at lagene reducerer strålingen med en faktor N+1 (ud over at de blanke flader reducerer strålingen).

40 lag er altså ikke noget helligt tal, men beregnet ud fra at det næste lags bidrag er forsvindende. Der laves stort set ikke moderne lavtemperaturapparater uden superisolation i dag. 

Med venlig hilsen
Malte Olsen