Logo DBNL
Heike Kamerlingh Onnes. Een biografie (2005)

Heike Kamerlingh Onnes. Een biografie

(2005)–Dirk van Delft–rechtenstatus Auteursrechtelijk beschermd

De man van het absolute nulpunt


Vorige Volgende

14 Koude oorlog (1)

‘De poolstreken der physica prikkelen den proefnemer tot den strijd zoals het uiterste Noorden en Zuiden den ontdekkingsreiziger,’ aldus Kamerlingh Onnes in 1904 in zijn diesrede als rector van de Leidse senaat.1 Die poolstreken creëerde Onnes in kamer e van het pas verbouwde laboratorium. Daar, tegenover zijn werkkamer, concentreerden zich tot 1898 alle cryogene activiteiten. Noemde Onnes in zijn intreerede van 1882 (zie hoofdstuk 11) de pompen van Cailletet en Pictet al ‘onmisbare laboratoriumwerktuigen’, binnen een paar jaar had hij ze in huis. Met ijzeren discipline en enorme werkkracht bouwde hij op basis van een zorgvuldig uitgestippeld plan aan zijn koude-installaties. Doel: ‘het verrichten van natuurkundige proeven in vloeistofbaden van zeer lage temperatuur.’2

Wie waren Cailletet en Pictet? In 1877 hadden ze opzien gebaard door, onafhankelijk van elkaar, zuurstof vloeibaar te maken - zij het slechts voor even. Daarmee was het eerste van de ‘permanente gassen’ die Michael Faraday bij zijn proeven in 1823 en 1845 niet had weten te condenseren, bedwongen (de overige waren stikstof, koolmonoxide, stikstofoxide, methaan en waterstof; enkele edelgassen, waaronder helium, moesten op aarde nog ontdekt worden). De proefopstellingen van Cailletet en Pictet verschilden hemelsbreed, maar één ding hadden ze gemeen: een constructie om gas onder hoge druk plotseling te laten ontsnappen uit het reservoir waarin het zat opgesloten.

Vóór Cailletet en Pictet was er vooral samengeperst. Dat bleek een effectieve aanpak, mits de temperatuur onder de kritische waarde lag. Faraday maakte in het souterrain van de Royal Institution in Londen een mengsel van vast koolzuur en ether, verlaagde de druk zoveel hij kon en bij de aldus verkregen temperatuur van -110oC perste hij zijn gassen samen tot circa 50 atmosfeer. Een halve eeuw eerder had Martinus van Marum, conservator van het Fysisch Kabinet van Teylers Stichting, zich ook al met comprimeren beziggehouden, zij het bij kamertemperatuur. Aldus condenseerde hij in 1787 ammoniak. De claim - door Bosscha tijdens zijn rede tot het eerste Natuur- en Geneeskundig Congres in 1887 gloedvol verdedigd (en door

Kamerlingh Onnes overgenomen) - dat Van Marum als eerste een gas had weten te condenseren, streelde de vaderlandse trots maar bleek onhoudbaar.3 Wellicht komt die eer toe aan het Franse duo Gaspard Monge en Louis Clouet, docenten aan de militaire school te Mézières. Al vóór 1780 bedwongen zij zwaveligzuur.

In 1877, toen de handel in Noors en Canadees natuurijs nog bloeide en de Schotse slagers Bell en Coleman alvast patent namen op een koelmachine met expanderende lucht,4 ontbrandde de wetenschappelijke strijd om de koude pas goed. Op 24 december zond Louis-Paul Cailletet, een mijnbouwkundig ingenieur uit het plaatsje Châtillon-sur-Seine die in het metaalbedrijf van zijn vader werkte, een bericht naar de Académie des Sciences in Parijs. Diezelfde middag werd het op de wekelijkse zitting, in een voormalige kapel tegenover het Louvre, voorgelezen.5 Onderwerp: het vloeibaar maken van zuurstof. Permanent secretaris Dumas van de Académie vond het nieuws zo belangrijk dat hij ter introductie een citaat van Lavoisier voorlas. De vader van de zuurstoftheorie, in 1794 onthoofd door middel van de guillotine, stelde zich voor wat er zou gebeuren als de aarde verplaatst zou worden naar de koude van Jupiter of Saturnus. ‘Het water dat onze rivieren en meren vult, en waarschijnlijk het overgrote deel van de ons bekende vloeistoffen, zouden in stevige bergen veranderen,’ aldus Lavoisier. Tenminste een deel van de samenstellende stoffen van lucht, zo vervolgde hij, zou niet langer onzichtbaar gas zijn maar condenseren tot ‘nieuwe vloeistoffen [...] waarvan we nu geen idee hebben’.

Cailletet experimenteerde met gassen die hij onder hoge druk in een dikwandige glazen buis samenperste, in de hoop ze tot vloeistof te verdichten.6 Het was een constructie met relatief weinig explosiegevaar die op grote schaal navolging vond. Met een compressor werd gas in een stalen pijp op druk gebracht. Langs hydraulische weg werd deze druk met gebruikmaking van water en kwik op het te onderzoeken gas overgedragen. Cailletet stond op precieze resultaten en nauwkeurige methodes en was ettelijke jaren in de weer geweest met metaalmanometers en alcoholthermometers, voortbouwend op werk van experimentatoren als Berthelot en Regnault. Voor het samenpersen van zijn gassen ontwierp hij een kwikpomp die allerlei nadelen van een gewone compressor onderving7 en waarvan Kamerlingh Onnes zich bijzonder gecharmeerd toonde.

Begin november 1877 was Cailletet in zijn privé-laboratorium in Châtillon-sur-Seine zijn serie experimenten begonnen met acetyleen. Hij verwachtte aan 60 atmosfeer genoeg te hebben om het gas te condenseren.8 Maar eer die druk bereikt was ontstond er een lek in zijn buis waaruit met kracht gas ontsnapte. De opmerkzame Cailletet zag dat du moment in de

buis een ijle nevel ontstond, om direct weer te vervluchtigen. Het plotselinge ontspannen van het acetyleen gaf kennelijk zo'n sterke afkoeling dat condensatie optrad. Het ontsnappende gas moest de buitenlucht wegduwen en de arbeid die dat vergde ging in zo'n snel proces ten koste van de eigen ‘inwendige’ energie. Gevolg: de temperatuur daalde. Om zich te vergewissen dat het niet waterdamp was die hem in de luren legde, herhaalde Cailletet zijn proeven met zuiver acetyleen uit het Parijse laboratorium van Berthelot. Opnieuw nevel. Per ongeluk - zoals zo vaak in de wetenschap - had Cailletet een nieuwe techniek ontdekt om gassen vloeibaar te maken.

Na het succes met acetyleen waren de diverse bestanddelen van lucht aan de beurt. Om de aanvangstemperatuur omlaag te helpen - en zo onder de kritische temperaturen te zakken - had Cailletet zijn buis met gas in een bad met vloeibaar zwaveligzuur geplaatst, dat kookte bij -29oC. Koolmonoxide en stikstofoxide (NO én N2O) gaven bij plotselinge expansie keurig een nevel te zien en, zeer spectaculair, zuurstof ook. Waterstof reageerde niet, stikstof moest nog aan de beurt komen. De vraag of hij vloeibare of vaste zuurstof had gezien hoopte Cailletet na het meten van de lichtverstrooiing te kunnen beantwoorden. En via een chemisch experiment, eveneens in voorbereiding, hoopte hij uit te sluiten dat er ozon in het spel was.

Eeuwige roem voor Louis-Paul Cailletet? Dat viel nog te bezien. Aansluitend aan het verslag uit Châtillon-sur-Seine kwam op die memorabele Académievergadering in de aanloop naar kerstavond nóg een verhandeling over het vloeibaar maken van zuurstof ter tafel. Raoul-Pierre Pictet, een fysicus uit Genève en uitvinder van koelmachines, bleek langs totaal andere weg ook geslaagd te zijn. Op 22 december, dus vóór Cailletet, had hij de Franse Académie telegrafisch ingelicht: ‘Heden zuurstof vloeibaar gemaakt bij 320 atmosfeer en 140 graden onder nul door gecombineerd gebruik van zwaveligzuur en koolzuur. Raoul Pictet.’ De dagen die volgden lichtte Pictet, die was geholpen door Regnault, per post zijn methode toe. Hij werkte met een cascade van twee gesloten kringlopen, waarbij de eindtemperatuur in cyclus één het vertrekpunt vormde voor cyclus twee. Een principe dat Kamerlingh Onnes dankbaar zou overnemen.

Pictets cascade werkte als volgt. In de eerste kring werd een bad van zwaveligzuur door twee pompen, aangedreven door een stoommachine van 15 pk, onder lage druk gehouden. Hierdoor daalde de temperatuur van 29 tot 65o onder nul (ligt in een snelkookpan de kooktemperatuur door de hoge druk hoger dan normaal, bij afpompen zakt ze er juist onder). Het afgepompte zwaveligzuur werd door een met water gekoelde condensor (condensator) geleid, waar het onder een druk van 2,75 atmosfeer bij -25o condenseerde. Waarna de vloeistof weer naar het afpompbad werd geleid,

et cetera. Het is het principe van de gesloten kringloop van de koelkast.

Het afpompbad van cyclus één leverde de koeling voor cyclus twee. Daar circuleerde koolzuur dat door afpompen (met twee andere pompen) tot -140o daalde. Aldus werd een glazen buis (lengte 1 m; binnendiameter 1 cm) met zuurstofgas afgekoeld. Dat zuurstof kwam vrij via ontleding van kaliumchloraat in een met de buis in verbinding staande ruimte. Aldus bouwde zich in een proces van enkele uren in de glazen buis een zuurstofdruk op van 320 atmosfeer. Vervolgens liet Pictet, net als Cailletet, de zuurstof door een nauwe opening plotseling wegstromen. Dat gaf extra afkoeling, naar zijn schatting tot -200oC,9 zodat het gas voor een deel condenseerde en er uit de opening vloeibare zuurstof sproeide. Ook nu ging het om een kortstondig effect: binnen een mum van tijd was alle vloeistof weer verdampt. ‘We achtten het belang van de uitkomst van deze proeven zo groot,’ besloot Pictet zijn toelichting, ‘dat we de Académie via deze mededeling er direct in kennis van wilden stellen.’10

Dus leek Cailletet toch verslagen. Dat was zuur, want hij had op zondag 16 december zijn proef gedemonstreerd op de École Normale in Parijs, met onder de toehoorders enkele Académieleden. Waarom lichtte Cailletet de Académie pas op 24 december in? Het had te maken met zijn aanstaande verkiezing tot corresponderend lid. Omdat hij de stemming op de zitting van 17 december niet (negatief) wilde beïnvloeden door vlak voor het moment suprême met een spectaculair resultaat op de proppen te komen, had hij zijn verslag van het vloeibaar maken van zuurstof nog even onder de pet gehouden. Toch was Cailletets prioriteit veiliggesteld. Op 2 december had de ingenieur een verslag van zijn experimenten toegestuurd aan zijn vriend Henri Sainte-Claire Deville, lid van de Académie. Deville was zo onder de indruk dat hij de brief een dag later doorzond naar secretaris Dumas, die hem aftekende en van een zegel met datum voorzag. Die actie voorkwam een hoop ellende. Zodra Pictets mededeling op de zitting van 24 december was afgehandeld werd de brief geopend en voorgelezen. Cailletets prioriteit was gered. Op 31 december meldde het kersverse corresponderend lid de Académie dat hij na de kerstdagen ook stikstof en lucht had weten te condenseren. Zelfs waterstof gaf bij plotselinge expansie een zeer ijle en fijne nevel te zien, maar gezien de zeer lage kritische temperatuur van dat gas (33 kelvin) ligt het voor de hand dat er verontreinigingen in het spel waren.11

De experimenten van Cailletet en Pictet hadden een spectaculair resultaat opgeleverd. Toch ontbrak er iets. Al tijdens de Académiezitting van 24 december merkte Jamin op dat het waarnemen van sproeiend zuurstof of een zuurstofnevel, hoe fraai ook, niet meer dan een tussenresultaat was. Het definitieve experiment, dat nog op uitvoering wachtte, moest vloeibare

zuurstof opleveren dat voor langere tijd onder één atmosfeer (de luchtdruk) rustig kookte. ‘Laten we hopen,’ zo zei Jamin, ‘dat beide kundige experimentatoren ieder op hun manier zo'n definitief resultaat weten binnen te slepen.’12

Dat definitieve resultaat liet ruim vijf jaar op zich wachten. Niet Cailletet of Pictet lieten Jamins wens in vervulling gaan, maar - tot groot chagrin van de Fransen - twee Polen. Op 9 april 1883 ontving Debray, Académielid en verbonden aan de École Normale Supérieure in Parijs, vanuit Krakau het volgende telegram: ‘Zuurstof vloeibaar gemaakt, totaal vloeibaar, even kleurloos als koolzuur. Binnen enkele dagen kunt u een mededeling tegemoet zien.’13 Was getekend: Zygmunt von Wroblewski, mede namens zijn compagnon Karol Olszewski.

Wroblewski kende Debray uit 1882. Dat jaar had de Pool, toen 37 jaar oud, in het Parijse laboratorium van Debray proeven gedaan naar het oplossen van koolzuur in water onder hoge druk. Wroblewski was een laatbloeier. Geboren in Grodno, als zoon van een advocaat, begon hij in 1862 zijn studie aan de universiteit van Kiev. Een jaar later nam hij deel aan de opstand tegen de Russen, die Poolse studenten in hun leger wilden inlijven. Wroblewski werd gearresteerd en voor dwangarbeid naar Siberië gestuurd. In 1869 profiteerde hij van een algehele amnestie. Zijn gezondheid was slecht en twee oogoperaties konden ternauwernood voorkomen dat hij blind werd.

Terwijl Wroblewski in de Zwitserse Alpen herstelde, ontmoette hij Clausius, die hem aanmoedigde zich op de warmteleer te storten. Hij vervolgde zijn studie in Heidelberg, waar hij Kamerlingh Onnes leerde kennen, en promoveerde in 1874 in München. In ruil voor het accepteren van een positie aan de Uniwersytetu Jagiellonskiego in Krakau (toen Oostenrijks gebied, vandaar het von in Wroblewski's naam) kreeg hij een stipendium om in het buitenland ervaring op te doen. Hij bezocht Londen, Oxford en Cambridge en werkte geruime tijd in Parijs in het laboratorium van de École Normale. Daar maakte hij kennis met het apparaat van Cailletet om gassen onder hoge druk te brengen en te expanderen. Op zijn aanwijzingen bouwde Ducretet, een beroemde Parijse instrumentmaker, een aangepaste versie. Eind 1882, toen hij in zijn vaderland tot hoogleraar natuurkunde was benoemd, nam Wroblewski het toestel mee naar Krakau. Bij de aanval op zuurstof en andere permanente gassen zou het uitstekende diensten bewijzen.

In Krakau werkte Wroblewski aanvankelijk samen met Karol Olszewski, zoon van een landeigenaar uit Broniszow (Galicië). Ook Olszewski had in Heidelberg gestudeerd in de tijd dat Onnes er aan zijn slinger werkte en was in 1872 gepromoveerd bij Bunsen. In 1876 werd hij in Krakau buitenge-

woon hoogleraar scheikunde, in 1891 gewoon hoogleraar. Olszewski leidde een teruggetrokken vrijgezellenbestaan, woonde in zijn instituut en waagde zich soms maandenlang niet buiten. Op de Jagello-universiteit (waar ook Copernicus en paus Johannes Paulus 11 studeerden) moest hij zich bij gebrek aan middelen behelpen met oude spullen. Dat was frustrerend maar leidde er wel toe dat hij zich tot een buitengewoon handig en inventief experimentator ontwikkelde.

En zo kon het gebeuren dat de theoreticus Wroblewski en de volbloed experimentator Olszewski in Krakau een gouden duo vormden. Gewapend met het Cailletet-toestel uit Parijs kregen ze in een paar maanden gedaan wat Cailletet in vijf jaar niet was gelukt: het vloeibaar maken, en enige tijd vloeibaar houden, van zuurstof en andere permanente gassen. De beslissende innovatie ten opzichte van de aanpak van Cailletet was dat beide Polen het buisje (capillair) met het te condenseren gas in een cilinder met vloeibaar ethyleen hingen dat vacuüm werd gepompt. Het idee om vloeibaar ethyleen als koelvloeistof te gebruiken was gelanceerd door Cailletet.14 Maar terwijl de Fransman het ethyleen bij luchtdruk (1 atmosfeer) liet koken en zo een temperatuur van iets meer dan -100o haalde, kwamen Wroblewski en Olszewski op het lumineuze idee de damp boven het ethyleen zoveel mogelijk weg te pompen - Pictet had in Genève bij zijn cascade hetzelfde principe toegepast, zij het op zwaveligzuur en koolzuur.

In Krakau werd via afpompen -139oC gehaald en dat maakte een wereld van verschil. Terwijl Cailletet bij 150 atmosfeer aan de zuurstof niets merkte, waarna bij snel expanderen korte tijd wilde kookverschijnselen optraden zonder dat er een meniscus te zien was, bleek bij de lagere temperatuur van Krakau 20 atmosfeer al voldoende om de zuurstof te condenseren, zonder expansie. Zuurstof, zo schreven Wroblewski en Olszewski in Annalen der Physik und Chemie, ‘is een doorzichtige, uiterst vluchtige en kleurloze vloeistof met een scherpe meniscus die veel vlakker staat dan die van koolzuur. Bij drukvermindering begint het zaakje te schuimen, aan het oppervlak treedt verdunning op en bij nog lagere druk kookt de vloeistof overal.’15 Ook stikstof en koolmonoxide werden bedwongen, zij het slechts na expansie. De verdamping ging zo rap dat de Polen ze maar enkele seconden statisch vloeibaar konden houden.

Kort na het succes van 9 april verbraken Wroblewski en Olszewski de samenwerking. Reden: incompatibilité d'humeur. Wroblewski zat vol energie en daadkracht, een bazig type dat wel moest botsen met de flegmatieke, onvermoeibare en onverstoorbare Olszewski.16 Ieder ging zijns weegs in het cryogene onderzoek en beiden claimden het beslissende idee voor het vloeibaar maken van zuurstof te hebben aangedragen - wellicht is de niet-alfabe-

tische auteursvolgorde bij het artikel in de Annalen een indicatie dat Wroblewski dichter bij de waarheid zat. Overigens was Wroblewski de eerste die vloeibare zuurstof niet alleen als doel zag, maar ook als middel om materiaaleigenschappen bij extreem lage temperaturen te meten. Daartoe liet hij vloeibare zuurstof in een apart glas stromen, toegankelijk voor preparaten en instrumenten. Zo stelde hij vast dat de elektrische geleiding in koper toenam bij lagere temperatuur.

De irritatie zou zich niet tot het Poolse duo beperken. In 1884 klaagde Cailletet dat Wroblewski zich in de Comptes Rendus weliswaar netjes gedroeg, maar dat hij ‘zodra hij in het Pools schrijft’ het Poolse aandeel overdreef ten koste van het Franse.17 Ter illustratie wees Cailletet op Wroblewski's bewering dat alle pogingen om waterstof vloeibaar te maken waren stukgelopen op de onmogelijkheid het gas voldoende af te koelen. Cailletet, aldus de Pool in de verslagen van de academie van Krakau, zou zijn claim in 1877 een subtiele waterstofnevel te hebben gezien, hebben ingetrokken. Niets was minder waar, brieste de getergde Cailletet. En Wroblewski's bewering als eerste vloeibaar methaan als koelmiddel te hebben geopperd, vastgelegd in de Comptes Rendus van 21 juli 1883, raakte eveneens kant noch wal. Cailletet was al in 1881 met methaan in de weer geweest en had, toen een publicatie of mededeling een zaak van langere adem bleek, met het oog op de prioriteit een kort verslag in een verzegelde envelop bij de Académie gedeponeerd.

Na het opzeggen van de samenwerking - al na enkele maanden - zetten Wroblewski en Olszewski het onderzoek naar lage temperaturen ieder op eigen houtje voort. Nu zuurstof vloeibaar was gemaakt, zij het dat het nog niet gelukt was de vloeistof onder één atmosfeer (in verbinding met de buitenlucht) ‘statisch’ te krijgen en rustig te laten koken,18 kwam waterstof in beeld. Januari 1884 was het zover: ‘waterstof afgekoeld door kokende zuurstof vloeibaar gemaakt door ontspannen,’ telegrafeerde Wroblewski naar zijn Parijse leermeester Debray.19 Voor dat doel had de Pool een nieuw toestel geconstrueerd waarin hij waterstof in een glazen capillair tot 100 atmosfeer samenperste. Het voordeel ten opzichte van de constructie van Cailletet was dat het expanderen veel sneller ging, wat lagere temperaturen in beeld bracht. Net als bij zuurstof het jaar ervoor ging het om een nevel en een zeer kortstondig tumultueus koken. Wroblewski sprak in zijn verslag aan de Académie de verwachting uit dat statisch vloeibare waterstof te realiseren zou zijn bij temperaturen niet ver beneden die van kokende zuurstof onder lage druk.20

Dat kon Olszewski niet op zich laten zitten. Binnen enkele weken liet hij Parijs weten óók geslaagd te zijn. Olszewski liet waterstof, gekoeld met

vloeibare zuurstof onder 6 mm kwikdruk, bij 190 atmosfeer expanderen.21 Statisch vloeibaar maken mislukte en concurrent Wroblewski kreeg het evenmin voor elkaar. Klaarblijkelijk lag de kritische temperatuur van waterstof te laag. Om die te bepalen zette Wroblewski zich aan het doormeten van isothermen van het gas bij lage temperatuur. Maar voor er definitieve resultaten op tafel lagen, overkwam hem een ongeluk. Zo goed als blind zat hij maart 1888 op een late avond bij zijn toestellen toen hij een lamp kapot stootte en brandende petroleum over zich heen kreeg. Drie weken lag hij in het ziekenhuis, toen bezweek hij aan zijn verwondingen.

De Leidse cascade

In Leiden was Kamerlingh Onnes voorlopig nog niet aan waterstof toe. De inrichting van de cryogene installaties22 kon pas tijdens de cursus 1885-1886 beginnen, nadat de interne verbouwing van het laboratorium zijn beslag had gekregen. Intussen waren Wroblewski en Olszweski op het toneel verschenen en hun ‘schoone onderzoek’ inspireerde Onnes tot de volgende aanpak: ‘de zuurstof volgens de methode van Pictet te laten circuleeren en voor proeven te gebruiken, zooals Wroblewski en Olszewski, op het voetspoor van Cailletet, het ethyleen hadden leeren gebruiken.’23

Bij gebrek aan hulp schoot het werk aanvankelijk weinig op. Instrumentmaker Kouw zette de door Onnes ontworpen toestellen keurig in elkaar,

illustratie
u-buis met kwik voor de Cailletetpomp. Het glycerine 1 voor de zuiger (rechts) diende als smeermiddel. Via de u van kwik (f) werd het gas links samengeperst zonder dat er verontreinigingen bij konden komen.


maar veel van zijn tijd ging heen aan het onderhoud van bestaande instrumenten en ook moest hij zijn chef geregeld assisteren bij het bedienen van de spullen. ‘Het onderzoek kon,’ aldus Onnes, ‘dus niet anders vorderen dan met tusschenpoozen die soms zeer schadelijk waren. Weliswaar stak in 1885 de toen twintigjarige Karel Bosscha, jongste zoon van Onnes’ Delftse leermeester, de helpende hand toe bij het ‘opzetten der machines’24 en liepen er in het laboratorium leerling-instrumentmakers rond die eenvoudige klusjes konden opknappen, maar het zou tot 1889 duren eer Onnes zijn tweede instrumentmaker kon aanstellen.

Niettemin was de koude permanent in Onnes' gedachten. In Châtillon bestelde hij de kwikcompressor die Cailletet in 1883 had beschreven. De pomp voor het samenpersen van zuivere gassen werd in het cursusjaar 1884-1885 geleverd, maar pas na jaren sleutelen voldeed hij aan de hoge eisen die Onnes eraan stelde. Het bijzondere van de compressor was dat op de zuiger een laag kwik rustte die, door steeds de vorm van de cilinder aan te nemen, voorkwam dat aan het eind van iedere compressieslag een deel van het ingestroomde gas achterbleef, wat de efficiëntie van het apparaat ten goede kwam. Onnes was zo enthousiast over dit principe dat, zelfs toen de compressor ‘in het geheel niet’ bleek te voldoen, hij er ‘gaarne eenige jaren’ voor overhad om Cailletets ontwerp te verbeteren.25

Probleem was dat het kwik in contact stond met glycerine, dat als smeermiddel voor de zuiger diende. Omdat de glycerine op het (zwaardere) kwik dreef, raakte de werking van de pomp verstoord. Onnes onderving dit nadeel door onder de cilinder een met kwik gevulde u-buis te monteren (zie de figuur). Boven het andere uiteinde van de u kwam een tweede cilinder met daarin de zuiger. De op- en neergaande beweging van de zuiger werd via het kwik (communicerende vaten) doorgegeven aan de oorspronkelijke cilinder met daarin het gas, en ieder contact van dit gas met glycerine was in de nieuwe constructie uitgesloten.

Het uitdokteren en testen van deze aanpassing, en tal van kleinere verbeteringen, kostte Onnes zeeën van tijd. April 1889 sprong een nieuwe ‘zuigbuisveiligheid’ bij een druk van 20 atmosfeer. ‘Glas door geheele kamer, vervaarlijke schok,’ noteerde Onnes in zijn laboratoriumdagboekje. ‘Het koper omhulsel is woest opengereten.’26 Als basis voor een nieuwe veiligheid fungeerde een geweerloop. Pas in 1890 functioneerde de pomp naar behoren. Maar toen bezat hij dan ook een ‘laboratorium-werktuig’ waarop hij volkomen vertrouwen kon, dat ‘langen tijd ongebruikt kan blijven staan en toch weder terstond voor het gebruik gereed is’. In 1891 stelde Onnes - wie geheimhouding vreemd was - een publicatie in het vooruitzicht. Pas in 1900 kwam het ervan; tot in de kleinste details legde Onnes uit wat hij



illustratie
Cailletet-pomp.


allemaal aan de pomp had verbeterd.27 Aan de Cailletet-compressor, die in combinatie met een aanjager 100 atmosfeer haalde en die vooral van pas kwam bij het samenpersen van zuivere, kostbare gassen, heeft Leiden enorm plezier beleefd.

Het nauwgezet ontwerpen, bouwen, testen en verbeteren van een cascade die vloeibare zuurstof produceerde heeft Kamerlingh Onnes ontzaglijk veel

hoofdbrekens gekost. Legio waren de technische moeilijkheden die de hoogleraar-directeur had te overwinnen en naast het op orde brengen van het natuurkundig practicum en het begeleiden van promovendi deed hij tot 1900 weinig anders dan sleutelen, solderen en schaven. Aan eigen onderzoek kwam Onnes nauwelijks toe. Pas in 1894, dertien jaar na de Algemeene theorie der vloeistoffen, pakte hij de draad weer op met twee bescheiden artikelen over viscositeitscoëfficiënten van vloeistoffen in overeenstemmende toestanden - het (experimentele) promotieonderwerp van zijn leerling M. de Haas. Onnes was toen veertig. Veryolgens publiceerde hij tot 1900 zeven artikelen (steeds in de Verslagen van de Akademie) over de opbouw van het cryogeen laboratorium, en één waarin hij zich alvast uitliet over het vloeibaar maken van waterstof in het licht van de wet der overeenstemmende toestanden.

Bij het inrichten van zijn cascade nam Onnes de proeven van Pictet als uitgangspunt. Bij de Société Genevoise pour la construction des instruments physique, waar ook Pictet zijn toestellen liet bouwen, bestelde hij in 1885 twee geconjugeerde pompen. Op een en dezelfde zuigerstang waren bij dit type pomp twee zuigers achter elkaar gemonteerd. De ene cilinder zoog vacuüm, de andere perste gas samen. Het ging om handelsmodellen en eer Onnes hun prestaties en betrouwbaarheid op laboratoriumniveau had gebracht, was hij maanden verder. De pompen moesten, ook na lange tijd te hebben stilgestaan, voor ‘terstond gebruik gereed zijn’ en behalve Onnes moest ook laboratoriumpersoneel bediening en onderhoud voor zijn rekening kunnen nemen. In zijn artikel over de bouw van de cascade, eind 1894 gepubliceerd op een moment dat Leiden de productie van vloeibare zuurstof net onder de knie had, ging Onnes in op zijn worsteling met de pompen.

Alle stukken te bevrijden van kleinere of grootere lekken en gebreken; pakkingen die volmaakt sluiten aan te brengen; geschikte leidingen aan te leggen; kranen met kurkpakking, die niet door de koude vastraken; peilglazen die den stand van het gecondenseerde gas telkens aanwijzen; filtreertoestellen, die de kranen beschermen, te vervaardigen, dat alles verslond veel tijd. Veel wat thans in de handel te verkrijgen is, was toen nog niet bekend en moest dus op omslachtige wijze worden vervaardigd. In allerlei ongewone werkzaamheden moest oefening verkregen worden.28

Bovendien, aldus Onnes, bracht het werken met gassen als zwaveligzuur, chloormethyl (methylchloride, chloormethaan) en ethyleen risico's met zich mee ‘en dat gevaar mag in eene inrichting van onderwijs zooveel minder



illustratie
Schema van de cascade waarmee in drie cycli (chloormethyl: CH3Cl, ethyleen: C2H4 en zuurstof: O2) vloeibare lucht geproduceerd werd. Die lucht diende als voorkoeling in de waterstofliquefactor (1905), die ook is weergegeven (H2).


worden toegestaan’. Wat weer extra veiligheidsvoorzieningen in de toestellen nodig maakte.

Behalve dubbelwerkende pompen kocht Onnes bij de Société Genevoise onderdelen voor de eerste cyclus van de cascade. In 1887 had hij hem gemonteerd. Een Pictet-pomp perste gasvormig zwaveligzuur in een ‘conden-

sator’ (tevens voorraadvat); een paar atmosfeer bleek afdoende om vloeistof van circa -30o te verkrijgen. Een koelcircuit van leidingwater voerde de vrijkomende condensatiewarmte af. Een deel van het vloeibare zwaveligzuur werd naar de ‘kookfles’, tevens condensor voor de tweede cyclus van ethyleen, gepompt. Vacuüm trekken met de Pictet-pomp verlaagde de temperatuur in die kookfles tot zo'n -70o, alles analoog aan wat Raoul Pictet tien jaar eerder had gepresteerd. De cyclus vormde een metalen geheel dat ‘ruim bestand’ was tegen de druk die vloeibaar zwaveligzuur bij kamertemperatuur ontwikkelde. Delen van de cyclus die op lage temperatuur kwamen waren uitgevoerd in roodkoper.

Al snel toonde Onnes zich met het Pictet-ontwerp ontevreden. Al in 1888, zo blijkt uit zijn laboratoriumboekje, verving hij het giftige zwaveligzuur, dat ook nog eens het inwendige van de cyclus aantastte, door chloormethyl.29 Het gebruik van deze stof als koelmiddel was in 1885 geopperd door Louis Cailletet, ‘aan wiens genie’, aldus Onnes, ‘wij op dit gebied zooveel te danken hebben’. Niet alleen leverde Pictets zwaveligzuur ‘buitengewoon veel last en onaangenaamheid’ op, ook de constructie van de eerste cyclus beviel Onnes maar matig. Hij bleek ‘nog veel ongunstiger in het gebruik dan men reeds uit de teekening er van mocht opmaken’. Om de efficiëntie op te krikken voorzag Onnes de chloormethylkookfles van een regeneratorspiraal: het ethyleen van de tweede cyclus liep via een dunwandige en lange spiraalbuis naar de chloormethylkookfles (om daar onder 8 atmosfeer druk te condenseren). Chloormethyldamp die in tegenovergestelde richting weggepompt werd stond een deel van zijn koude af aan de spiraal en koelde aldus het ethyleen alvast voor. Het duurde zo'n drie kwartier voor de kookfles van de eerste cyclus met vloeibaar chloormethaan van -70o was gevuld.

Cyclus twee bevatte ethyleen. Dat was een prachtig koelmiddel, maar aan het gebruik kleefden nadelen. Zo vormde ethyleen met lucht een ‘hoogst ontplofbaar’ mengsel, wat Onnes dwong tot het nemen van diverse veiligheidsmaatregelen: stoomverwarming in lokaal e, het (eveneens in 1893) aanleggen van elektrisch licht (in plaats van gaslampen)30 en het plaatsen van een krachtige ventilator om ontsnappend ethyleen- of choormethylgas weg te blazen. Ook de zuiverheid van het ethyleen gaf last. Toen Onnes in 1887 aan de ethyleencyclus begon was het gas nog niet in de handel verkrijgbaar. In 1892, toen dat wel het geval was, plaatste Onnes een bestelling bij Orchard in Londen. Een halfjaar moest hij op levering wachten, en toen bleek het gas ook nog eens 3 procent verontreinigingen te bevatten terwijl 1 procent voor Onnes de limiet was. Verontreinigd ethyleen condenseerde pas bij hogere druk en dat gaf meer kans op ontploffingen.

Dus zag Onnes zich genoodzaakt zelf zuiver ethyleen te bereiden. In een

tijdrovend en kostbaar stookproces, waarbij de temperatuur nauw luisterde, werd in kamer f (aangrenzend aan de cryogene ruimte in kamer e) alcoholdamp in kolven met zwavelzuur geleid, ‘bij welke de zuiverings - en droogtoestellen geheel op continu gebruik ingericht en met de noodige automatische veiligheids- en regelingsinrichtingen voorzien zijn’. In 1890 had Onnes het stoken zo goed onder de knie dat het Leidse ethyleengas, dat in porties van 1½ kubieke meter bereid werd, 99 procent zuiver was. Maar in de toestellen lekte er bij lage druk onvermijdelijk lucht bij, waardoor proeven op een gegeven moment stilgelegd moesten worden. Ook ging er af en toe ethyleen verloren. De stooktafel stond dus permanent klaar voor gebruik.

In zijn ontwerp voor de ethyleenkookfles - de tekeningen lagen juni 1890 bij instrumentmaker Curvers; januari 1891 kon het testen en verbeteren beginnen - heeft Onnes de regeneratorspiraal annex warmtewisselaar (bedoeld voor zuurstof uit de derde cyclus) in het toestel geïntegreerd. Op deze kookfles, later hét model voor andere kookflessen en liquefactoren in het cryogeen laboratorium, heeft Onnes flink zitten puzzelen. Vanwege alle gedoe rond de bereiding van ethyleen wilde hij zo min mogelijk van dit gas in de tweede cyclus gebruiken. In de praktijk bleek 1½ kilo voldoende - Dewar werkte in Londen met 40 kilo. De circulatie was, net als in de eerste cyclus, van metaal, ditmaal uitsluitend roodkoper. De dunne wanden waren met ribben verstevigd tegen vacuüm of overdruk. Onder in de kookfles omspoelde vloeibaar ethyleen circa tien windingen (inhoud: 300 cm3; afkoelend oppervlak: 1500 cm2) van de spiraal waarin zuurstof moest condenseren. De benodigde druk van 60 atmosfeer werd geleverd door de Cailletet-compressor.

De kookfles, die aan de onderzijde 22 cm in diameter was en naar boven taps toeliep, was qua constructie de uitkomst van een optimaal evenwicht tussen de hoeveelheden condenserend oppervlak, af te koelen metaal, benodigd ethyleen, geproduceerde zuurstof en het aanwezige warmtelek naar de omgeving. Met het oog op warmte-isolatie had Onnes het toestel ingepakt in lagen schapenwol - gewassen, in warm water ontvet, schoongemaakt en tot ‘Franse bollen of dekenplakken gekamd’ gaf het beste resultaat, aldus een geraadpleegde deskundige. De lagen wol, in compartimenten gedeeld door vilt, waren van elkaar gescheiden door katoen en vernist papier. Alles om convectie, geleiding en straling van warmte de kop in te drukken. Het toestel functioneerde prima: binnen een paar uur stond in de kookfles, zonder dat hij aan de buitenkant nat werd (laat staan bevroor), 1 liter vloeibaar ethyleen, kokend bij 2 à 3 cm kwikdruk. De zaak was zo ontworpen dat weggepompt ethyleengas, dat het per regeneratorspiraal toestromende zuurstof-

gas voorkoelde, de kookfles ongeveer bij kamertemperatuur verliet. Alle koude werd benut.

In de ethyleencyclus was uit veiligheidsoverwegingen een metalen ketel van 600 liter opgenomen, waarin het vloeibare ethyleen in noodgevallen snel kon expanderen zonder dat de druk te hoog opliep. Overtollig ethyleen bewaarde Onnes in gasvorm in een ‘gelaschten ketel’ op hooguit 15 atmosfeer. In de cyclus waren een olievanger en droogtoestellen opgenomen om te voorkomen dat als gevolg van waterdampverontreiniging kranen vastvroren. Eer alles werkte was er anderhalf jaar voorbij.

Intussen kwam ook de zuurstofcyclus gereed. In navolging van Wroblewski in 1885 wilde Onnes vloeibare zuurstof onder uit de regeneratorspriraal aftappen om het naar een glazen vat (kookglas of cryostaat) over te hevelen waarin het rustig kon koken, al dan niet onder verlaagde druk. In dat vat konden thermometers worden gedompeld, en te onderzoeken preparaten. Later werd het ook mogelijk uit dit vat vloeibare zuurstof over te hevelen in een dewarglas, een soort thermosfles. Om het kookglas zat een dunwandige luchtdichte koperen kast, aan de binnenzijde beplakt met vilt met daarop nikkelpapier om warmtestraling tegen te houden. De kast had, tegenover elkaar, twee paar micavensters, om licht binnen te laten en te kunnen zien wat binnen gebeurde.

Een probleem in de beginjaren van de cascade vormde het tekort aan pompen. In de zuurstofcyclus perste de Cailletet-compressor plus aanjager het zuurstof samen en beide dubbele Pictet-pompen waren actief in de chloormethyl - en ethyleencyclus. Maar om de zuurstof in de kookkast beneden -182o (het kookpunt bij atmosferische druk) te krijgen, was een extra vacuümpomp nodig. Die had Onnes in 1892 niet, zodat de Pictet-pomp uit de eerste cyclus tijdelijk naar de derde werd overgeheveld en de ethyleenspiraalbuis in een bak met vast koolzuur werd gelegd. Het aftappen van aanzienlijke hoeveelheden koolzuur uit in de handel verkrijgbare cilinders gaf om de haverklap ellende omdat kranen vastvroren. Om van de waterdamp in de koolzuur af te komen vroeg Onnes de Nederlandsche Kaenoliet en Koolzuur-Maatschappij te Rotterdam hun handelsproduct, vóór het de fles inging, eerst over ongebluste kalk te leiden. In 1893 leende Onnes van de marine een Brotherhood-perspomp31 - bestemd voor het lanceren van torpedo's - die hij inzette in een extra cyclus met methaan en, later, een met stikstof of vloeibare lucht.

Na anderhalf jaar knutselen aan ethyleenkookfles en zuurstofkookkast, het dichten van talloze lekken en stoken van hectoliters ethyleen was het op 23 juni 1892 feest: Onnes ving zijn eerste vloeibare zuurstof op in het ‘glas van Wroblewski’. Er dreven stukjes vuil op en met 20 cc was de hoeveelheid



illustratie
Het cryogeen laboratorium in lokaal e, 1900.


bescheiden. ‘De koude is eerbiedwekkend,’ schreef de anders zo nuchtere Groninger in zijn laboratoriumboekje. Het genot duurde kort. Tijdens de eerste liquefactie raakte de zuurstofkookkast defect. Reparaties en verbeteringen, waaronder een langere ethyleenspiraal en een grotere zuurstofkookkast, duurden tot december 1893. Maar toen had Onnes een installatie die er mocht zijn. Tegen de kerst maakte hij met zijn cascade een kwart liter

vloeibare zuurstof, liet deze onder lage druk koken en liet ‘gedurende eenige uren’ de blauwige vloeistof aan ‘verscheidene wetenschappelijk vrienden’ zien. Mei 1894 nam Onnes een dewarglas vloeibare zuurstof mee naar de Akademievergadering in Amsterdam - men toonde zich zeer onder de indruk. Niet de liquefactie van vloeibare zuurstof was bijzonder - dat was tien jaar eerder al in Polen gelukt (en her en der nagevolgd) - maar het creëren van de mogelijkheid om bij uiteenlopende lage temperaturen, die Onnes tot op een honderdste graad constant wist te houden, onderzoek te doen.

Opvallend genoeg verscheen de eerste beschrijving van de Leidse cascade, inclusief een keur aan gedetailleerde tekeningen, in Revue générale des sciences pures et appliquées. April 1896 publiceerde E. Mathias, toen hoogleraar te Toulouse, in het Franse tijdschrift een artikel waarin hij zijn bewondering voor Onnes' cryogeen laboratorium niet onder stoelen of banken stak.32 Een jaar eerder had Mathias in hetzelfde blad al een overzicht van de diverse cryogene laboratoria in Europa gegeven, niet lang nadat Onnes in kort bestek er de Leidse opstelling uit de doeken had gedaan.33 Ook James Dewar was in de Revue générale zojuist aan bod geweest. Mathias was aan het Steenschuur poolshoogte komen nemen en kreeg van Onnes fraaie constructietekeningen mee (schaal 1:30, deels in kleur), bedoeld voor een Leidse publicatie (de gids ter gelegenheid van de lerarendag op 22 april 1897 drukte onder andere een schema van de cascade af;34 pas in 1904, met het gedenkboek ter gelegenheid van Onnes' 25-jarig doctoraat in 1904, kon een groter publiek er kennis van nemen).

Aan het slot van zijn artikel vol technische details gaf Mathias een tijdtabel van de liquefactie van zuurstof in Leiden op 22 mei 1894. Om 9.15 uur, aldus het Franse verslag, begon Onnes met het opstarten van de chloormethylcyclus; 10.00 uur was het tijd voor de ethyleencondensatie; 10.37 uur was de eerste vloeibare ethyleen een feit; 11.50 uur was de ethyleenkookfles gevuld en werd er begonnen met afpompen; 12.09 uur was de ethyleendruk gezakt tot 7 cm kwik en was het koud genoeg om zuurstof onder hoge druk door de spiraal te leiden; 12.44 uur begon het zuurstofkookglas vol te lopen met vloeistof; 13.32 uur was het glas met vloeibare zuurstof gevuld (een kwart liter), alles bij atmosferische druk; 14.10 uur kon met het zuurstofbad geëxperimenteerd worden; 16.45 uur ten slotte werd het experiment beëindigd.35

De Leidse koude kon zich koesteren in brede internationale belangstelling. Augustus 1896 was Nature vol lof over Onnes' cryogene installaties.36 In het artikel werd benadrukt dat Leiden een totaal eigen aanpak had gekozen. Ideeën van Pictet (cascade), Cailletet (gebruik van chloormethaan en ethyleen) en Wroblewski (opvangconstructie vloeibare zuurstof) waren geïn-

tegreerd in een installatie die een permanent bad van een ½ liter vloeibare zuurstof produceerde. Bovendien was Leiden door zijn ruime aandacht voor veiligheid en efficiëntie - de cascade had een uitzonderlijk hoog rendement - in de ogen van Nature een ‘cryogeen modellaboratorium’. Ter illustratie zette het weekblad wat cijfers op een rij. Waar Onnes 1,5 kilo ethyleen in zijn installatie gebruikte, had Dewar er 40 nodig. En terwijl Pictet zijn cascade met 30 à 40 paardekrachten aandreef, had Leiden genoeg aan 6 à 8 pk. Olszewski zat nog lager, maar die werkte met nog geen 70 cc vloeibare zuurstof en had bovendien geen permanent bad. ‘[O]ne cannot but admire the perseverence and skill which the development of this system reveals,’ aldus Nature. Ook over de lopende proeven in het kader van de Lorentz- en Van der Waals-serie was het blad zeer te spreken. ‘In short, the place is rich in apparatus of all kinds, and possesses numeral appliances; so much so, that one would rank it amongst the best provided (and, one may add, most productive) research laboratories.’

Terwijl Onnes mei 1894 in het Trippenhuis vloeibare zuurstof demonstreerde, lag Leiden met Londen, Krakau en Berlijn in de race om de liquefactie van het volgende permanente gas: waterstof. Die race is geen latere uitvinding, Onnes zelf zei in 1895 in ‘voortdurende wedijver met het buitenland’ te liggen.37 Alvorens op de wedloop in te gaan, en nader kennis te maken met de licht ontvlambare James Dewar en zijn geheime refrigeratoren in de Royal Institution, wat gebeurde er nog meer aan het Steenschuur?


Vorige Volgende

Over het gehele werk

auteurs