Heike Kamerlingh Onnes. Een biografie

De man van het absolute nulpunt

[p. 19]

0 Proloog: een theekopje helium

De dag dat Heike Kamerlingh Onnes helium vloeibaar maakte werd Leiden het koudste plekje op aarde. Het was 10 juli 1908, een winderige en natte zomerdag kort voor de vakantie. Veel nieuws had het Leidsch Dagblad niet te melden. In Duitsland had de keizer graaf Von Zeppelin, ‘de man die door de constructie van een werkelijk bestuurbaren ballon wellicht den stoot heeft gegeven tot de grootste wijziging in het wereldverkeer en de samenleving der volkeren sedert de ontdekking van het stoomwerktuig’, met zijn zeventigste verjaardag gefeliciteerd. De week daarvoor had Zeppelin vanuit Friedrichshafen per luchtschip een geslaagd tochtje naar Zwitserland gemaakt - tijdens de Eerste Wereldoorlog zou het inzetten van zeppelins voor militair gebruik Onnes' behoefte aan heliumgas danig frustreren. Verder, zo berichtte de krant, was op de Katwijkse visafslag de eerste nieuwe haring aangevoerd door de kotter Minister Kuyper en die avond zou bij uitspanning 't Posthof in Oegstgeest een openluchtoptreden plaatsvinden van ‘Nederland's beroemdste dichter-zanger’ Speenhoff (toegang ƒ 0,25).¹

Onnes, door zijn vrouw Betsy (Bé) voor dag en dauw gewekt, liet tegen vijf uur in de ochtend een koetsje voorrijden om hem van Huize ter Wetering, zijn fraaie buiten aan het Galgewater, naar het Steenschuur te brengen. Daar, in het hartje van de stad, tegenover het Van der Werffpark, lag het Natuurkundig Laboratorium waarover hij de scepter zwaaide. Sinds zijn aantreden in 1882 had hij met volharding en visie een laboratorium voor lage temperaturen in het leven geroepen en vandaag, de verjaardag van zijn promotie, ging hij een poging wagen weer een stap richting het absolute nulpunt te zetten.

Op het laboratorium schoot Onnes direct in zijn witte jasje. Zijn technici waren onder aanvoering van bedrijfschef Gerrit Jan Flim al druk in de weer. De dag ervoor hadden ze de voorraad vloeibare lucht op 75 liter gebracht en samen met de hoogleraar-directeur toestellen op lekken gecontroleerd, vacuüm gepompt en gevuld met zuiver gas.² Vandaag werd in alle vroegte begonnen met het vloeibaar maken van waterstof. Terwijl in lokaal Aa de pompen raasden - de waterstofinstallatie was voorjaar 1906 in gebruik

1 Leidsch Dagblad, 10 juli 1908.

2 Gegevens zijn ontleend aan: H. Kamerlingh Onnes, ‘Het vloeibaarmaken van helium’, Verslagen der Afd. Nat. van de Kon. Akad. v Wet. 17 (bijvoegsel juni 1908) 163-179. Comm. 108.

[p. 20]

genomen - draaiden Onnes en zijn medewerkers driftig aan kranen, koppelden gasflessen af en aan en letten angstvallig op drukmeters en thermometers. Tijd om te eten namen ze niet. Om halftwee was er twintig liter vloeibare waterstof in dewarvaten (thermosflessen) afgetapt, genoeg om in het aangrenzende vertrek, lokaal e', de aanval op het helium te openen.

Veel kans op slagen gaf Onnes zich niet. Een eerdere poging om het laatste der ‘permanente’ gassen te bedwingen, uitgevoerd in februari, was op een gênante mislukking uitgedraaid. Bij die gelegenheid zag Onnes een wit, vlokkig wolkje abusievelijk aan voor vast helium. Bij snelle expansie, zo interpreteerde hij zijn waarnemingen, werd helium kennelijk direct vast, zoals koolzuursneeuw uit een brandblusser. Opgetogen telegrafeerde hij James Dewar, zijn directe concurrent te Londen, dat de race gelopen was: ‘Converted helium into solid.’³ Ook Menso Kamerlingh Onnes, die kunstschilder was en met zijn gezin in het Engelse Torquay verbleef, werd door Bé van het grote nieuws op de hoogte gebracht. ‘Hoe heerlijk dat het zoo prachtig ging!’ schreef een enthousiaste Menso aan zijn geleerde broer.⁴ De Nieuwe Rotterdamsche Courant van 13 maart berichtte dat buitenlandse bladen veel aandacht hadden geschonken aan Onnes' prestatie. Met enige vertraging (en vervorming) bereikte het nieuws de Amerikaanse westkust. ‘Helium is Liquefied by German Professor,’ berichtte de San Francisco Examiner een dag later. ‘Metal Hereforeto Known Only as a Gas Reduced by Kammerlin Onnes at University of Leyden.’

Maar al snel bleek dat Leiden te vroeg had gejuicht. Het wolkje bleek bij nader inzien van waterstof, dat als een onvoorziene verontreiniging in het heliumgas was achtergebleven en bij het afkoelen was uitgevroren. Spottend spraken de studenten over ‘halvium’, een grap die Onnes maar matig kon waarderen, temeer daar de (vak)pers, waaronder de Globe, de Daily Telegraph en Nature, het nieuws over het ‘vaste helium’ direct hadden gemeld zodat er niets anders opzat dan de zaak publiekelijk te herroepen.⁵ Dewar had de zaak rechtgezet in The Times, de krant die hij na Onnes' telegram als eerste van de Leidse ‘triomf’ op de hoogte had gesteld.

De nieuwe poging werd gedaan met 200 liter heliumgas, en 160 liter als reserve - aanzienlijk meer dan in februari. Het was gewonnen uit thoriumhoudend monazietzand, een mineraal dat via bemiddeling van Onno Kamerlingh Onnes, directeur van het Bureau van Handelsinlichtingen te Amsterdam en Heikes broer, in flinke hoeveelheden uit Amerika via Hamburg naar Leiden was getransporteerd. Vooral het zuiveren van het heliumgas was een heidens karwei waar vier chemici maandenlang hun handen vol aan hadden. Door verhitting knalde het gas uit de zandkorrels waarin het

3 Telegram hko aan Dewar, 5 maart 1908, archief Royal Institution.

4 Menso aan Heike, 2 maart 1908, mb, archief hko, inv.nr. 189.

5 The Globe, 3 maart 1908; Daily Telegraph, 10 maart 1908; Nature, 5 en 12 maart, 16 en 23 april 1908.

[p. 21]

De installatie waarmee Kamerlingh Onnes op 10 juli 1908 als eerste helium vloeibaar maakte. Die dag werd Leiden de koudste plek op aarde.

zat opgesloten. Om verontreinigingen kwijt te raken werd het gas met vloeibare lucht afgekoeld, boven koperoxide onder toevoeging van zuurstof verbrand en in samengeperste toestand bij de temperatuur van vloeibare

[p. 22]

waterstof (-253^oC) over kool geleid. Alle moeite was niet vergeefs: op 10 juli bleek het heliumgas wel voldoende zuiver.

Terwijl de waterstofinstallatie vanaf 's morgens halfnegen trouw zijn vier liter per uur produceerde werd het heliumtoestel vacuüm gepompt en werden de laatste verontreinigingen uit het heliumgas verwijderd. Eerst ging er vloeibare lucht in het buitenste (dubbelwandige) vacuümglas, daarna vloeibare waterstof in het binnenste glas. Om halfdrie kon het afkoelen van het helium beginnen. Na een halfuur was de temperatuur al tot -180^o gedaald. Tien voor halfvijf - Bé was inmiddels bezorgd poolshoogte komen nemen en had haar zwoegende echtgenoot stukjes brood gevoerd - ging de pomp aan om het helium te laten circuleren. Een uur later stond het gas op een druk van 100 atmosfeer. De truc was het in een vacuümruimte - omgeven door glazen met vloeibare waterstof en vloeibare lucht - te laten expanderen, waarbij het iets afkoelde, en het terugstromende helium het aankomende de helium te laten voorkoelen. Hetzelfde principe was toegepast bij het vloeibaar maken van waterstof, maar of het bij helium ook zou lukken kon alleen de praktijk leren. Het ging erom spannen in lokaal e'.

Weer leek het fout te gaan. De heliumthermometer wilde nauwelijks zakken en een tweede thermometer had het begeven. Tot opluchting van Onnes zette de afkoeling alsnog in en om halfzeven, bij versnelde expansie van het helium, lag de temperatuur al onder die van vloeibare waterstof. Al schommelend daalde de waarde naar -267^o, 6^o boven het absolute nulpunt. Intussen had Onnes de laatste fles van de heliumvoorraad aan het toestel gekoppeld. Twintig keer was het helium in de installatie rond gestroomd en nog altijd was er niet veel meer te zien geweest dan wat gewarrel.

Toen, bij -269^o, begon de thermometer opeens een opvallend stabiele waarde aan te wijzen. Dat was om halfacht. Wat was er aan de hand? De chemicus Schreinemakers, die net als andere collega's van Onnes poolshoogte was komen nemen, merkte op dat het net leek of de thermometer in een bad met vloeistof stond. Hij had gelijk. Toen Onnes nog eens naar het glas met helium tuurde, door dewarglazen, vloeibare lucht en vloeibare waterstof heen, en er schuin van onder een lamp op richtte, zag hij de vloeistofspiegel inderdaad staan. Duidelijk was te zien hoe de stroomdraadjes van de thermometer erdoorheen prikten. ‘Toen het oppervlak eenmaal gezien was,’ zou Onnes in zijn verslag voor de Nederlandse Akademie van Wetenschappen schrijven, ‘werd het niet meer uit het oog verloren. Het stond messcherp tegen de glazen wand.’

Zestig milliliter vloeibaar helium had de proef opgeleverd, net aan een theekopje. Nadat de circulatie was gestaakt begon het langzaam te verdampen. Om halfnegen, toen er nog 10 milliliter vloeistof over was, pompte

[p. 23]

Onnes in een poging het helium te bevriezen de damp boven de vloeistof weg. Helaas bleek de afkoeling tot zo'n 1½^o boven het absolute nulpunt onvoldoende. Tien over halftien, met nog enkele milliliters vloeibaar helium in het toestel, stopte Onnes met experimenteren - het was mooi geweest. ‘Niet alleen de toestellen waren bij deze proef en hare voorbereiding tot het uiterste belast geweest,’ schreef hij in het Akademieverslag, ‘ook van mijne helpers was het uiterste gevorderd. Zonder hun volharding en bezielde samenwerking had niet elk deel van het programma zoo onberispelijk tot zijn recht kunnen komen als noodig was om dezen aanval op het helium te doen slagen. Grooten dank ben ik vooral verschuldigd aan den Heer G.J. Flim, die mij niet alleen als bedrijfschef van het cryogeen laboratorium bij de leiding der werkzaamheden ter zijde heeft gestaan, doch ook als hoofd van de werkplaats de constructie der toestellen naar mijne aanwijzing heeft geleid en mij in beide opzichten de meest intelligente hulp heeft verleend.’

Doodmoe liet Onnes zich naar huis rijden. Met de ervaring van het halvium vers in het geheugen besloot hij niet onmiddellijk ruchtbaarheid aan het succes van het vloeibare helium te geven en het nieuws via de Akademie te verspreiden - dinsdag kregen Nederlandse kranten er langs die weg lucht van; Nature keek ditmaal de kat uit de boom en berichtte er niet eerder dan op 13 augustus over. Wel lichtte Onnes dat weekend per brief zijn leerling Pieter Zeeman en leidsman Johannes Diderik van der Waals in, beiden hoogleraar te Amsterdam.⁶ Het toeval wilde dat Van der Waals, wiens theoretisch werk aan gassen en vloeistoffen het baken vormde waarop Onnes koerste, op maandag 13 juli zijn afscheidscollege gaf. Een mooier cadeau had Onnes, die verhinderd was, niet kunnen bieden. ‘Zo hoop ik dan op deze wijze al kan ik niet bij uw afscheid zijn mijn deel bij te dragen tot de voldoening op deze dag door u te genieten,’ aldus Onnes in zijn brief aan Van der Waals.

Het vloeibaar maken van helium is een mijlpaal in de Nederlandse (en internationale) natuurkunde. De dag waarop het laatste ‘permanente’ gas bezweek, 10 juli 1908, markeert een eindpunt. Tegelijk ontvouwde zich een nieuw temperatuurgebied, een braakliggend terrein van extreme koude, vol verrassingen. Opeens lag de weg open naar de ontdekking van de supergeleiding - in 1911 was het zover. Jarenlang was Leiden het koudste plekje op aarde. Tot 1923 bezat het Natuurkundig Laboratorium het monopolie op vloeibaar helium, ook al had Kamerlingh Onnes zijn aanpak tot in detail gepubliceerd. Hoe kon dat? In 1922 zei Johan Kuenen, Onnes' collega en beoogd opvolger, het als volgt: ‘Het helium is alleen daardoor bezweken, dat alle beschikbare middelen in het veld zijn gebracht en dat het daarmede van alle kanten op strikt systematische wijze is aangegrepen. Zonder twijfel is

6 hko aan Van der Waals, 11 juli 1908, Rijksarchief in Noord-Holland, Van der Waalsarchief.
hko aan Zeeman, 12 juli 1908, ranh, Zeeman-archief, inv.nr. 82.

[p. 24]

de overwinning te danken aan het pijnlijk zorgvuldig ontwerpen en uitwerken van alle, zelfs de kleinste onderdeelen, het in de ban doen van alle overhaasting en het rustig voortgaan op den voorgenomen weg zonder het “eens uit te proberen”.’⁷

7 Het Natuurkundig Laboratorium der Rijksuniversiteit te Leiden in de jaren 1904-1922 (Leiden 1922) 20.