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

23 Koude oorlog (2)

Toen bedrijfschef Gerrit Flim op 4 juni 1898 na een Leids koudeloos tijdperk van drie jaar zijn ethyleenboekhouding hervatte,1 was de race om het vloeibaar maken van waterstof juist gelopen. Op 12 mei had James Dewar in Londen op de reguliere bijeenkomst van de Royal Society zijn ‘Preliminary Note on the Liquefaction of Hydrogen and Helium’ voorgelezen.2 Twee dagen eerder, zo zei hij, was het hem in de kelder van de Royal Institution gelukt om 20 cc vloeibare waterstof op te vangen in een dubbelwandig geisoleerd glazen vat. De vloeistof was helder en kleurloos en bezat een tamelijk grote brekingsindex. Graag had Dewar er meer van gemaakt, maar zijn installatie was na vijf minuten verstopt geraakt door bevriezende lucht in de leidingen. Niettemin was het gelukt twee dunne buisjes in de vloeibare waterstof te steken. Het ene was aan de bovenkant open en de lucht ter hoogte van de vloeibare waterstof bevroor direct. Het tweede buisje stond in verbinding met een bol met heliumgas en ditmaal zette bij onderdompeling een condensatieproces in. ‘All known gases have now been condensed into liquids [...],’ aldus een trotse Dewar.

Lang kon de Brit niet van zijn halve triomf - niet het helium zelf was gecondenseerd maar een in het gas aanwezige verontreiniging - genieten. Zodra hij was uitgesproken stond William Ramsay op, in Londen hoogleraar chemie aan het University College en de man die in 1895 als eerste de aanwezigheid van heliumgas op aarde had aangetoond. Niet Dewar, zo sprak Ramsay, had als eerste waterstof vloeibaar gemaakt maar Karol Olszewski. In de Royal Society-vergadering van december 1895, toen Dewar een verhandeling over zijn werk bij lage temperaturen had besloten met het uitspreken van de verwachting spoedig waterstof vloeibaar te kunnen maken, had Ramsay dat ook al beweerd. Tweeënhalf jaar had Dewar tevergeefs op een bevestiging uit Krakau gewacht, en nu gooide die vermaledijde Ramsay alweer roet in het eten.

Geïrriteerd daagde Dewar zijn collega uit de bewering hard te maken. Dat kon deze niet. Sterker, op de volgende bijeenkomst van de Royal Society moest Ramsay toegeven van Olszewski zojuist een brief te hebben ontvan-

gen waarin de Pool ontkende ooit geslaagd te zijn om rustig kokende (statische) vloeibare waterstof te maken. Maar die bewering was niet voor de Transactions bestemd. Waarop Dewar, ook al omdat de affaire breed in de publiciteit was uitgemeten, de zaak op de Royal Institution-vrijdagavondlezing waarin hij vloeibaar waterstof demonstreerde in geuren en kleuren uit de doeken deed.3

Wat dreef Ramsay om een collega zo dwars te zitten? Dat hij Dewar in 1877 de Royal Institution-leerstoel betwistte door ook zelf te solliciteren had bij de tien jaar oudere Dewar kwaad bloed gezet, wat op zijn beurt Ramsay, ook een Schot, kan hebben geïrriteerd.4 Dan was er een akkefietje rond de ontdekking van het edelgas argon. John William Strutt (lord Rayleigh), die in de Royal Institution het laboratorium op de bovenverdieping bestierde, had in 1894 de aandacht gevestigd op een klein verschil in dichtheid tussen atmosferisch en chemisch stikstofgas - iets wat Cavendish in 1785 ook al was opgevallen. Rayleigh haalde Ramsay erbij, een expert in de analyse van gassen, en op 13 augustus presenteerden ze hun vondst van het argon op een bijeenkomst van de British Association for the Advancement of Science. Daarop stuurde Dewar brieven naar The Times waarin hij de ontdekking in twijfel trok - ze zou in strijd zijn met zijn eigen waarnemingen - en opperde dat er een allotropische vorm van stikstof in het spel was. Ramsay trok zich er niets van aan, maar iedere sympathie voor Dewar moet toen zijn verdampt. Voor een bepaling van de kritische temperatuur en druk van het nieuwe edelgas wendde hij zich tot Olszewski, die net als hij in Heidelberg bij Bunsen chemische analyse had geleerd.

Na het incident met de vloeibare waterstof kon Ramsay moeilijk Dewar om een gunst vragen. En dat terwijl vloeibare waterstof uitstekend van pas kwam bij het scheiden van helium en argon. Gelukkig had hij in zijn privélaboratorium op University College in Morris Travers een bekwaam assistent die binnen twee jaar een eigen waterstofliquefactor bouwde, waarvan hij de constructie tot in detail publiceerde.5 Travers benadrukte in zijn artikel in het Philosophical Magazine dat het hart van zijn installatie slechts enkele tientallen ponden kostte - waarschijnlijk kannibaliseerde hij andere proefopstellingen - terwijl hij aan de compressor, motor, gashouder en Hampson-luchtliquefactor in totaal 200 pond (circa ƒ 2400) kwijt was.6 Dat was een steek onder water: Dewar klaagde altijd over torenhoge kosten. Travers had bij het bouwen van zijn waterstofliquefactor, die een halve liter per keer produceerde, hulp gekregen van de advocaat annex uitvinder William Hampson, de man die in 1895 - onafhankelijk van Carl Linde in Berlijn - patent vroeg op een koelmachine op basis van het Joule-Thomson-effect (daarover straks meer). Ook met Hampson was Dewar gebrouilleerd, om

over zijn knallende ruzie met Karol Olszewski maar te zwijgen. Inderdaad, Dewar was een man van weing vrienden.

James Dewar groeide op in Kincardine-on Forth in Schotland, waar zijn vader een pub/wijnhandel dreef.7 In de winter van 1852 zakte hij als kind van tien door het ijs. Terwijl het ventje van de toen opgelopen acute reuma

illustratie
James Dewar in de Royal Institution in Londen, circa 1900.


herstelde, leerde hij van de dorpsmeubelmaker violen bouwen ter oefening van de spieren in zijn vingers en armen - een bezigheid waaraan Dewar zijn latere handigheid in het laboratorium toeschreef. Na een studie in Edinburgh werd hij in 1875 benoemd tot hoogleraar experimentele natuurwetenschap in Cambridge. In dat bolwerk van academische tradities viel de gedrongen, licht ontvlambare en zeer eigengereide Schot op door zwakke colleges en grof taalgebruik. Dewars talenten werden er niet op waarde geschat.

Dewar was een echte showman en tijdens de vrijdagavondlezingen in het theater van de Londense Royal Institution was hij in zijn element. Zijn eerste optreden, maart 1876, was zo'n succes dat hij een jaar later ook daar aangesteld werd als hoogleraar (in de chemie) en samen met zijn vrouw in het gebouw een appartement betrok. In 1887 volgde hij John Tyndall op als directeur. Op dat moment had Dewar wat betreft koude zijn sporen al verdiend. Zodra hij van Cailletets vloeibare zuurstof hoorde, bestelde hij in Parijs het toestel dat de Fransman had gebruikt en in de zomer van 1878 kon Dewar zijn publiek druppels vloeibare zuurstof voorschotelen.8 Zijn demonstratie van vloeibare waterstof in 1899, in het bijzijn van collega's en de Londense elite en ter opluistering van het honderdjarig bestaan van de Royal Institution, is vereeuwigd op een schilderij.

Dewars bekendste technische bijdrage aan het cryogene onderzoek dateert uit 1892: de dewarfles.9 Op dit dubbelwandige glazen vat, vanbinnen vacuüm gezogen en verzilverd om warmtegeleiding en -straling tegen te gaan, nam hij uit principe geen patent - als thermosfles werd het later een massaproduct. December 1892 demonstreerde Dewar zijn vinding op een vrijdagavondlezing. Met veel gevoel voor theater brak hij het puntje van een van zijn glazen kapot. Direct zoog de tussenruimte zich vol lucht en was het met de warmte-isolatie gedaan: de rustig kokende vloeibare zuurstof begon wild te borrelen. In 1905 ontdekte Dewar dat kool bij lage temperatuur in extreme mate gas absorbeert,10 wat tot een beter vacuüm leidde en het verkrijgen van zuivere waterstof en helium vereenvoudigde.

In 1884 had Dewar zijn eigen apparatuur gebouwd om zuurstof statisch vloeibaar te maken. Dat was een jaar na Wroblewski en Olszewski, die in 1884 na het verbreken van de samenwerking in Krakau ieder al zover waren dat ze waterstof dynamisch vloeibaar wisten te krijgen. Dewar roemde het ‘schitterende succes’ van de Polen en met Olszewski's ‘geslaagde experimenten’ kon een precieze bepaling van de kritische temperatuur en druk van waterstof niet lang meer uitblijven.11 Het zouden de laatste vriendelijke woorden zijn die Dewar aan het adres van Olszewski richtte.

In 1886 was Dewar zover dat hij vaste zuurstof kon maken. De door hem

ontwikkelde apparatuur betekende een vooruitgang ten opzichte van die van Olszewski. Ongelukkigerwijs publiceerde Dewar het principe (technische details gaf hij nooit prijs) in de Proceedings of the Royal Institution als bijlage in een artikel met de titel ‘Recent Research on Meteorites’ (de uitwerking van een vrijdagavondlezing).12 Bij Olszewski, die deze bijdrage totaal was ontgaan, kon zo de gedachte postvatten dat Dewar zijn metalen cryostaat had nageaapt, en wel zonder bronvermelding. En dat terwijl Olszewski de betreffende Franstalige publicatie uit 1890 naar Londen had gestuurd. Via bemiddeling van Ramsay stuurde Olszewski begin 1895 een notitie naar Nature (‘Claim for Priority’)13 en een uitgebreid artikel naar het Philosophical Magazine (‘On the Liquefaction of Gases’).14 In die tweede bijdrage gaf de Pool een overzicht van zijn cryogene werk, na eerst Dewar te hebben verweten meermalen Krakause experimenten louter te hebben herhaald.

Dewar sloeg in een volgend nummer van het Philosophical Magazine keihard terug.15 Waarom had Olszewski vier jaar gewacht met zijn beschuldiging? En had Dewar in 1886 al niet metaal gebruikt? De Brit noemde Olszewski's claims ‘bizar’ en ‘ongefundeerd’ en om zijn opponent te jennen zei hij vooral uit te zien naar Engelse vertalingen van artikelen van Wroblewski. Zolang die ontbraken, aldus Dewar, bleef voor Britse wetenschappers de waarde van Olszewski's claims inzake prioriteit duister. Een jaar later kreeg ook Ramsay ervan langs, overigens zonder bij naam genoemd te worden.16 Hoe was het in vredesnaam mogelijk, vroeg Dewar zich af, dat landgenoten magere bijdragen aan de wetenschap ophemelden en een snel oordeel klaar hadden over prioriteitskwesties, in plaats van zich grondig te verdiepen in de artikelen van de eminente Wroblewski.

In dat laatste artikel, getiteld ‘New Researches on Liquid Air’, publiceerde Dewar een schematische weergave van zijn installatie om vloeibare zuurstof (of lucht) te maken. De Brit werkte met een cascade van ethyleen en koolzuur, liet zuurstof onder hoge druk expanderen door een Joule-Thomsonplug en paste het regeneratieprincipe toe: koude zuurstof koelde op de terugweg aankomend zuurstofgas alvast voor. Dat principe, aldus Dewar, had Kamerlingh Onnes bij de constructie van de machines in het Leidse cryogeen laboratorium onafhankelijk van anderen ook toegepast. Gedetailleerde tekeningen van zijn apparatuur leverde Dewar niet, naar zijn zeggen omdat de installatie voortdurend wijzigingen en verbeteringen onderging, en het onderliggende principe geen geheim was. Olszewski was in zijn artikelen iets scheutiger met informatie maar alleen Onnes gaf de bouw van zijn toestellen tot in de kleinste technische details bloot.

Om waterstof statisch (rustig kokend in een dewarvat) vloeibaar te krijgen, schoot de cascademethode tekort. Met afgepompte vloeibare zuurstof

was 54 kelvin (-219oC) mogelijk; nog lager ging niet omdat zuurstof dan bevroor. Omdat de kritische temperatuur van waterstof 33 kelvin bedroeg, viel er een gat van meer dan 20o te overbruggen eer vloeibare waterstof überhaupt in beeld kon komen. Die brug werd geslagen door het Joule-Thomson-effect. In 1852 experimenteerden James Joule en William Thomson (lord Kelvin) met lucht die in een buis op een poreuze prop stuitte en daarachter expandeerde. Bij het passeren van de prop verricht de lucht geen uitwendige arbeid maar omdat moleculen elkaar aantrekken en bij expansie hun onderlinge afstand toeneemt, is er bij afwezigheid van warmteuitwisseling met de omgeving (adiabatisch proces) toch een klein temperatuureffect. Een thermodynamische berekening laat zien dat dit effect, afhankelijk van de waarden van a en b in de toestandsvergelijking van Van der Waals (constanten die de onderlinge krachten tussen de moleculen en hun volume bepalen), twee kanten op kan. Beneden de zogeheten inversietemperatuur klapt de opwarming om in afkoeling. Bij waterstof bedraagt deze circa -193oC.

In 1895 bedachten Linde en Hampson ieder een koelmachine voor vloeibare lucht op basis van het Joule-Thomson-effect. Die van Linde, in Berlijn al jaren succesvol fabrikant van koelinstallaties, was het eerst in bedrijf. Met Hampson kreeg Dewar het mei 1898 aan de stok. Kort na Dewars mededeling over vloeibaar waterstof in de Royal Society stuurde Hampson een brief naar Nature waarin hij beweerde in november 1894 de Royal Institution te hebben bezocht en bij die gelegenheid Robert Lennox, Dewars assistent, uitleg te hebben verschaft over zijn (nog niet gepatenteerde) Joule-Thomson-machine. Informatie die Dewar dankbaar in zijn ontwerp voor een waterstofliquefactor zou hebben toegepast, zonder Hampson de credits te geven. De volgende Nature brieste Dewar dat Hampson er totaal niet toe deed. Waarna de kemphanen die zomer nog driemaal naar elkaar uithaalden. Geen wonder dat Hampson later dat jaar Travers te hulp schoot bij het bouwen van een waterstofliquefactor voor Ramsay.

Een correspondentie vol respect

Juli 1895, toen Dewar in de clinch lag met Ramsay en Olszewski, schreef Kamerlingh Onnes zijn Britse collega een brief - het begin van een correspondentie vol wederzijds respect die vijftig brieven zou omvatten en die tot december 1922, enkele maanden voor Dewars dood, doorliep.17 Overigens maakte Onnes al sinds 1884 van een aantal van Dewars belangrijke artikelen uittreksels die hij samen met stukken uit het Britse vakblad The Electrician in een map bewaarde.18

Onnes begon de briefwisseling op een speciaal moment: de gemeente

Leiden had die maand uit angst voor ‘ontplofbare toestellen’ verordonneerd dat Onnes in afwachting van een vergunning het werken met samengeperste gassen diende op te schorten. Onnes kon toen nog niet bevroeden dat zijn cryogeen laboratorium drie jaar lam zou komen te liggen en vertelde Dewar, die hij zei zeer te bewonderen, op montere toon over zijn recente ervaringen met vloeibare zuurstof.

I have many times shown the exquisite blue liquid, that we got after so much labour, to scientific friends, coming even from Russia. When I poured it in one of your vacuum vessels, where the ebulition stopped and the mercury mirror appeared, this sight never failed to charm whoever loved science. I brought liquid oxygen into one of your vacuum glasses to my aged precessor Rijke, living at some distance from the laboratory who was delighted to see some experiments with it performed in his reading room, and I then returned in my laboratory and there was left enough oxygen to pour it again in my permanent bath. I am sure that your vacuum glass is the greatest advance in low temperature work since 1883.19

De laatste zin had Dewar onderstreept. Hij had zijn bibliothecaris Onnes laten vragen om zes exemplaren van Communication 14, die een overzicht bood van het Leidse cryogene werk tot en met vloeibare zuurstof. ‘Graag bewijs ik u een dienst,’ schreef Onnes en een complete serie van zijn tijdschrift was onderweg naar de Royal Institution. Hij vertelde over zijn werkwijze, klaagde over de weinige steun die zijn werk in Leiden genoot en sprak de hoop uit dat zijn positie als onderzoeker zou verbeteren mocht zijn werk van belang blijken voor buitenlandse coryfeeën. Waarna de aap uit de mouw kwam: of Onnes, als hij gelegenheid had naar Londen te reizen, mocht komen kennismaken. Dan kon hij Dewar aan het werk zien bij zijn cryogene installaties.

Dewar schreef direct terug. De aanval van Olszewski van januari zat hem nog steeds hoog en ook Onnes kreeg voor de voeten geworpen dat hij de Poolse claims voor zoete koek had geslikt. In een voetnoot van Communication 14 (meegedeeld in de Akademievergadering van december 1894 en daarna vertaald) had Onnes durven zeggen dat Dewars installatie van 1886 op ‘kleine schaal’ vloeibare zuurstof produceerde zonder het naar een apart vat over te hevelen. Hoezo klein? Dewars installatie produceerde per keer 22 cc vloeibare zuurstof en deed daarmee niet onder voor die van Olszewski. Na een ‘vreselijke explosie’ in 1886, toen door een blunder ethyleen en zuurstof bij elkaar kwamen en vlam vatten, had hij drie jaar niets kunnen doen, waarna in 1891 een grotere liquefactor gereedkwam. ‘The fact is,’

aldus Dewar, ‘that I never learnt anything in the way of manipulation of liquid gases from Prof. Olszewski.’

Van een bezoek aan het laboratorium in de Royal Institution kon in het barre klimaat dat de Pool had geschapen voorlopig niets komen, zei Dewar. Zelfs Raoul Pictet, die in 1886 in Berlijn een bedrijfslaboratorium op het gebied van koeltechniek had gesticht, was nu niet welkom. Details van zijn apparatuur waren immers niet gepubliceerd en het laatste waarop Dewar zat te wachten waren verdere beschuldigingen. ‘Van alle aardse afwijkingen is gemeen wetenschappelijk handelen wel het verachtelijkst en de recente kritiek op mijn werk draagt weinig bij aan de waardigheid der wetenschap.’20 Onnes had zo ruzie met de Schot kunnen maken. Maar waarom zou hij? Wel zou hij later Dewar voor de voeten werpen dat deze in 1902 in zijn ‘brilliant address’ voor de British Association for the Advancement of Science verzuimd had te vermelden dat Onnes het regeneratieprincipe bij het vloeibaar maken van gassen als eerste, en ruim vóór Linde, systematisch had toegepast21 (Karl Olszewski had een paar maanden eerder een vergelijkbaar verwijt gekregen;22 prioriteiten lagen gevoelig). Waarop Dewar haastte zich te verontschuldigen en terugschreef dat hij in 1896 in een artikel Onnes' prioriteit op dat terrein wel degelijk had vermeld.23 Overigens was begin 1904 August Crommelin, toen aankomend leerling van Onnes, wel welkom in de Royal Institution. Dewar zelf leidde hem rond.24

Maart 1896 meldde Onnes zich opnieuw.25 Ditmaal kreeg Dewar Communication 23 toegezonden, de vertaling van de mededeling die Onnes een week eerder in de Akademie had aangeboden: ‘Opmerkingen over het vloeibaar maken van waterstof, over thermodynamische similariteit en het gebruik van vacuümglazen’. Een foto van de kookfles en kookkast van de zuurstofcyclus, beschreven in Communication 14, was bijgevoegd. Onnes' nieuwste artikel handelde over methodes om waterstof vloeibaar te maken - in theorie, de koe bij de hoorns vatten zat er vanwege de slepende hinderwetkwestie voorlopig niet in. In zijn tweede brief naar Londen zocht Onnes dan ook vooral steun in zijn gevecht om het behoud van het Leidse cryogeen laboratorium - steun die per kerende post werd geleverd (zie hoofdstuk 17). Dat Onnes zijn collega feliciteerde met de ‘splendid researches’ die december 1895 in de Proceedings of the Chemical Society waren gepresenteerd - en stilhield dat hij ook Olszewski had aangeschreven - zal de Brit zeker mild hebben gestemd. Tot dat prachtonderzoek behoorde het dynamisch vloeibaar maken van waterstof: onder een druk van 200 atmosfeer, afgekoeld door vloeibare lucht bij atmosferische druk, stroomde het waterstof door een regeneratorspiraal die eindigde in een expansieventiel. Met de aldus verkregen straal gedeeltelijk vloeibare waterstof wist Dewar zuurstof vast te ma-

ken. Maar de wild verdampende waterstof in een vacuümglas opvangen was nog een brug te ver.

De race om vloeibare waterstof was in 1895 nog altijd niet beslist. Al in 1884 wisten de Polen Wroblewski en Olszewski dit gas kortstondig vloeibaar te krijgen, maar van rustig koken was toen geen sprake en ook Dewar speelde dat nog niet klaar. Wel kwam Olszewski in 1891 en 1895 met ruwe bepalingen van de kritische druk en de kritische temperatuur van waterstof, van groot belang om de condities te bepalen waaronder het gas zich gewonnen zou geven.

Onnes liet in Communication 23 weten al jaren op een methode ter liquefactie van waterstof te broeden. Een recent patent van Solvay, dat in zijn uitgangspunten leek op wat hij in gedachten had, had hem ertoe gebracht met zijn ideeën naar buiten te treden. Sleutel in Onnes' benadering was de wet der overeenstemmende toestanden. Als een toestel zuurstof vanaf kamertemperatuur in een keer vloeibaar kreeg, zo was de conclusie, moest dat bij waterstof ook lukken mits als begintemperatuur die van vloeibare zuurstof werd genomen. Aanvankelijk had Onnes een zelfkoelend expansiemotortje in gedachten,26 een origineel idee dat van thermodynamisch inzicht getuigde, maar de fabricage liep stuk op onoverkomelijke mechanische problemen. Fabrikanten die hij raadpleegde kwamen er evenmin uit - later slaagde Georges Claude er alsnog in het principe toe te passen in zijn luchtliquefactoren (en nog veel later Kapitza en Collins in hun heliumliquefactoren). Zodra Onnes in 1895 van Lindes (en Hampsons) Joule-Thomson-methode hoorde, gooide ook hij het over die boeg, al betekende dat theoretisch een verlies vergeleken met het motoridee. In het ontwerp van de Leidse waterstofliquefactor - die pas in 1906 klaar was - speelde de analyse van 1896 een sturende rol. Weer was Van der Waals het baken.

De beste vloeibare waterstofinstallatie ter wereld

De periode 1895-1898 mocht het Leidse cryogeen laboratorium buiten bedrijf zijn, Onnes verloor nooit het vertrouwen in de goede afloop en achter de schermen werd de aanval op vloeibaar waterstof alvast voorbereid. In 1898 was de zoveelste aanbouw aan de Langebrug bestemd voor een krachtiger gasmotor (40 pk), een lokaal voor ‘chemische handelingen’ en een lokaal (Aa) waar de waterstofliquefactor een plaatsje zou krijgen. In afwachting van de benodigde pompen en cryostaten werd het benut als tekenkamer en ruimte voor het maken van gipsen modellen van Ψ-oppervlakken.

Dat de waterstofliquefactor pas in 1906 fatsoenlijk functioneerde heeft alles te maken met de hoge eisen die Onnes aan de installatie stelde. Op korte termijn een toestel in elkaar zetten dat een beetje vloeibare waterstof

produceerde, hoogstens goed voor wat oriënterende proefjes, had na Dewars prestatie van mei 1898 geen enkele zin meer; die race had Leiden verloren. Wat Onnes voor ogen stond was een liquefactor die in een doorlopend procédé op zo economisch mogelijke wijze enkele liters vloeibare waterstof per uur produceerde. Die waterstof zou, afgetapt in dewarglazen en overgeheveld naar een meetcryostaat elders in het laboratorium, een vloeistofbad moeten vormen met temperaturen die tot op een honderdste graad waren te stabiliseren.

Voor het zover was moest er heel wat gebeuren. Het aanpassen van extra vacuüm- en perspompen, het bouwen van de waterstofliquefactor, het op orde krijgen van een installatie om in de handel verkrijgbare waterstof te zuiveren, het bouwen van een meetcryostaat, het verbeteren van de cascade en het inlassen van een cyclus voor vloeibare lucht, het maken van ondersteunende toestellen: de werkplaatsen van het Natuurkundig Laboratorium hadden er de handen vol aan. Maar het resultaat mocht er zijn. ‘De Leidsche waterstofliquefactor voor continu gebruik,’ aldus Onnes in zijn beschrijving van 1906, ‘bevat genoeg eigenaardigs om als onafhankelijke constructie naast de toestellen van Travers en Olszewski, die aan de eischen der Leidsche metingen niet zouden kunnen voldoen, eene zelfstandige plaats in te nemen.’ Schatplichtig voelde Onnes zich aan Dewar en Hampson. De eerste vanwege zijn idee de regeneratorspiraal in een vacuümglas te plaatsen, de tweede vanwege zijn geslaagde ontwerp van zo'n spiraal in zijn zuurstofliquefactor.27

Bekijken we de situatie in 1904, het jaar dat de Britse gastonderzoeker Hyndman de Leidse installaties in een uitvoerig artikel in Engineering beschreef.28 Op dat moment had de cascade wezenlijke verbeteringen ondergaan. Zo was de kookfles in de chloormethylcirculatie (een ontwerp van Pictet), waarin geen warmtewisselaar geïntegreerd was, grondig vernieuwd op basis van ervaringen met de door Onnes zelf ontworpen ethyleenkookfles.29 In 1899 werd in Basel bij Machinenfabrik Burckhardt voor 2900 Zwitserse franc (circa ƒ 1400) een grote vacuümpomp gekocht die de capaciteit van de chloormethylcyclus sterk vergrootte zodat de productie van vloeibare ethyleen tijdens het bijvullen van chloormethyl gewoon door kon gaan. Drie jaar eerder was al een vergelijkbare Burckhardtpomp ingezet in de ethyleencyclus (in afwachting van zijn hinderwetvergunning heeft Onnes er eindeloos aan gesleuteld). De pompen konden 360 kubieke meter gas per uur verplaatsen en werden in Leiden gebruikt in conjunctie met aan de perszijde zuigende kleinere pompen.30

Rond 1900 werd de cascade uitgebreid met een cyclus voor vloeibare stikstof om zo het temperatuurgebied tussen -196 en -210oC, waar de

dampdruk van zuurstof zo klein is dat het nauwkeurig stabiel houden van de temperatuur bijna een onmogelijke opgave werd, beter toegankelijk te maken. Zuivere stikstof maken was lastig, zodat de compressor en de vacuümpomp in de stikstofcyclus aan hoge eisen moesten voldoen. Omdat het kookpunt van stikstof vlak onder dat van zuurstof ligt, was het mogelijk in de zuurstofcyclus met de Brotherhood-pomp te volstaan, zodat de Cailletetpomp in combinatie met aanjager vrijkwam voor de stikstofcyclus. De stikstofliquefactor bestond uit een hoog cilinderglas waarin de stikstof onder hoge druk door een warmtewisselaar werd geleid en, onder afgifte van warmte aan vloeibare zuurstof, condenseerde.31 Overigens viel het gebied van -196 tot -210oC na de komst van nog een Burckhardtpomp in 1905 alsnog door een zuurstofcryostaat te bestrijken.32

De luchtliquefactor week in bouw weinig af van die voor stikstof, alleen was hij wat groter. Het ging ditmaal om een open cyclus: atmosferische lucht werd, nadat het koolzuur eruit was verwijderd, met een Brotherhoodpomp tot 10 atmosfeer samengeperst en door een spiraal gestuurd die aan de onderkant van het toestel in de vloeibare zuurstof stond. De aldus gevormde vloeibare lucht, 5½ liter per uur, werd naar dewarvaten overgeheveld en in het laboratorium bewaard. In 1903 bedroeg de opbrengst 66 liter, het jaar erop was het al 442 liter en in 1907 ging er aan het Steenschuur 1462 liter vloeibare lucht doorheen.33 De vloeistof was permanent op voorraad en werd op verzoek voor twee gulden per liter toegestuurd aan leraren en hoogleraren - ook uit het buitenland kwamen verzoeken. In Leiden had vloeibare lucht als extra functie dat het de voorkoeling leverde in de waterstofliquefactor.

In 1905 was alles in gereedheid om de aanval op de waterstof te openen. Overigens liet de Crossley-gasmotor, die in 1900 geplaatst was, het november 1904 lelijk afweten toen er een bout van de krukas knapte - een constructiefout die het bedrijf uit Manchester niet wilde erkennen. Het duurde een jaar eer de partijen het eens werden over een herstelcontract en de reparatie een feit was.34 Toen stonden in kamer Aa twee langzaam lopende, oliegesmeerde tweetrapscompressoren van Burckhardt (die het gas via 25 naar 250 atmosfeer oppompten) en de grote vacuümpomp voor het afpompen van vloeibare lucht bij 1,5 à 2 mm kwikdruk (ook van Burckhardt, Onnes was vaste klant in Basel) al tijden klaar. Een eerste proef met een kleine liquefactor, geïnspireerd op installaties van Hampson (vloeibare lucht, 1898) en Olszewski (vloeibare waterstof, 1902), mislukte omdat de liquefactor in het ongerede raakte. Maar op 16 juni 1905 ging het wel goed en had Leiden zijn vloeibare waterstof te pakken. Opbrengst: een kwart liter, waarvan zo'n 15 cc kon worden afgeschonken.

Dat was niet veel en snel werd besloten tot de bouw van een grote waterstofliquefactor die drie à vier liter per uur moest leveren. De nieuwe regeneratorspiraal met expansieventiel, eindigend in een dewarvat, werd met stikstof met succes op deugdelijkheid beproefd, waarna de installatie op 20 februari 1906 zijn eerste liter vloeibare waterstof produceerde. Gemeten werd er vanaf 5 mei (vergelijking van diverse thermometers bij waterstoftemperaturen) terwijl Onnes op de Akademievergadering van 28 mei een vaatje met 4 liter, de vorige dag in Leiden bereid, meenam om er demonstraties mee te verrichten.35

Het viel overigens niet mee de liquefactor continu in bedrijf te houden. De door de Schiedamse firma Oxygenium geleverde (elektrolytische) waterstof bevatte verontreinigingen aan zuurstof en stikstof die in een bad van vloeibare lucht niet volledig vielen uit te vriezen. In de praktijk werd de waterstofdruk langzaam opgevoerd tot de kraan van het expansieventiel vastvroor. Na ontdooiing zoog een pomp de ongerechtigheid weg, wat waterstof met nog geen promille bijmenging opleverde.36 Februari 1908 bouwde Onnes een afzonderlijke separator, een waterstofzuiveringstoestelletje op basis van al aanwezige zuivere vloeibare waterstof.37 De nieuwe liquefactor overtrof met 4 liter per uur de stoutste verwachtingen en was de beste ter wereld. Het toestel van Dewar had om de haverklap last van vastvriezende kranen terwijl die van Travers en Olszewski (beide gebouwd in 1902) niet continu waren en per keer maar enkele honderden cc vloeibare waterstof leverden.38 In 1906 werd in Leiden 71 liter waterstof afgeschonken, een jaar later was dat al 167 liter.

Met de waterstofcryostaat verliep het minder voorspoedig. Die was oorspronkelijk uitgerust met een dewarbeker, wat de constructie vereenvoudigde. Toen dit vacuümglas na enkele meetrondes sprong - Onnes had het geluk dat zijn meettoestellen, ‘in welke het werk van geheele serien van waarnemingen opgehoopt was’, bij de klap gespaard bleven - werd een veiliger cryostaat gebouwd. Dewarglazen stonden bloot aan grote temperatuurverschillen en gevoegd bij de spanning door het vacuüm gaf dat een permanent risico op kapotspringen, een risico dat opliep naarmate de afmetingen van het dewarvat groeiden. Later zou Onnes' glasblazer Kesselring de techniek van het maken van wijde dubbelwandige glazen cryostaten tot kunst verheffen, maar voorlopig werd er geen risico gelopen. De nieuwe cryostaat was complexer van ontwerp maar hij functioneerde prima en ging ook nog eens zuiniger om met vloeibare waterstof.

De aanval op het helium

Toen Kamerlingh Onnes in 1906 waterstof onder de knie kreeg, maakte hij

direct plannen om het helium aan te vallen. De strijd ging tussen Dewar, Olszewski en Onnes - Travers was juist op weg naar Bangalore, als aanstaand directeur van het Indian Institute of Science. Het vertrek van Ramsays rechterhand, die zijn cryogene ervaring had benut door her en der in Europa installaties voor vloeibare lucht op te zetten en in 1903 in Bonn en Berlijn waterstof vloeibaar maakte (een primeur voor Duitsland), betekende één kanshebber minder. Overigens had Travers eind 1903 zijn waterstofliquefactor in Londen in de steek gelaten om hoogleraar te worden in Bristol. Ramsay kon met het apparaat niet overweg en was, nadat alle edelgassen ontdekt waren, gegrepen door het jonge verschijnsel radioactiviteit. Vloeibare lucht vond hij al mooi genoeg.

In 1901 had Dewar opnieuw gepoogd het helium te bedwingen. Na de mislukking van drie jaar eerder greep hij terug op de methode-Cailletet, die uitging van eenmalige expansie en dus veel minder helium vergde dan een cyclus. Het helium betrok Dewar uit een bron in Bath, die gas leverde (voornamelijk stikstof) waarin 0,5 promille helium aanwezig was. Door het helium door een in vloeibare waterstof gedompelde u-buis te leiden werden verontreinigingen zoveel mogelijk uitgevroren. Terwijl de onderkant van de Cailletet-buis in vloeibare waterstof stak die werd afgepompt (16 kelvin), liet Dewar zijn tot 80 atmosfeer samengeperste helium in het onderste deel van de glazen buis expanderen. Er was niets te zien, zelfs geen spoor van dunne mist. Uit het feit dat waterstof (op dezelfde wijze gezuiverd) in de Cailletetbuis wél een mist te zien gaf na expansie bij een temperatuur gelijk aan tweemaal de kritische waarde (33 kelvin), en niet als die temperatuur 2,5 keer die waarde bedroeg, concludeerde Dewar dat de kritische temperatuur van helium onder de 9 kelvin moest liggen.39

Olszewski's eerste poging om helium vloeibaar te krijgen dateerde al van eind 1895. Kort nadat Ramsay het gas op aarde had ontdekt had hij de Pool, net als eerder bij het argon, een hoeveelheid toegestuurd. Snelle expansie van helium bij de temperatuur van vloeibare zuurstof leverde - het zal niet verbazen - niets op. Een berekening bracht Olszewski tot het vermoeden dat het kookpunt van helium beneden de 9 kelvin moest liggen.40

In 1905 kwam er uit Krakau een nieuwe publicatie. Olszewski schreef dat hij in 1898 direct twijfels had bij Dewars claim op vloeibaar helium, maar zich stil had gehouden omdat hij bij gebrek aan middelen het Britse experiment niet had kunnen herhalen. Fijntjes merkte de Pool op dat zodoende het ‘nieuws’ van het vloeibare helium zich drie jaar lang tot in alle uithoeken der aarde had kunnen verspreiden, zijn weg had gevonden naar een veelheid aan leerboeken, en dat het nog een hele toer zou zijn de fout recht te zetten.41 Ook maakte hij melding van een reeks proeven uit 1902 van Travers

en Jacquerod, die hun Cailletet-buis koelden met vloeibare of vaste waterstof en het helium bij 60 atmosfeer lieten expanderen - zonder resultaat.

In zijn poging van 1905 ging ook Olszewski uit van vloeibare waterstof, hanteerde hij een grotere Cailletet-buis en voerde de druk op het helium (ditmaal gewonnen uit het zojuist op Ceylon ontdekte mineraal thorianiet) op tot 180 atmosfeer. Weer was er niets te zien. Met een vergelijkbare berekening als in 1895 kwam de Pool nu tot de conclusie dat het kookpunt van helium beneden de 2 kelvin moest liggen. Hij sprak zijn twijfel uit of het ooit zou lukken het helium vloeibaar te krijgen. Overigens schatte Dewar in 1904 op basis van de gemeten absorptie van helium in kool bij zeer lage temperatuur, vergeleken met die in waterstof, het kookpunt van helium op hoger dan 5 kelvin.42

Toen duidelijk werd dat het helium zich in een Cailletet-buis niet liet bedwingen (in de jaren dertig lukte het Francis Simon alsnog met zo'n single shot-aanpak vloeibaar helium te maken), zat er niets anders op dan toch maar over te schakelen op de aanpak die bij het statisch vloeibaar maken van waterstof had gewerkt: een liquefactor bouwen met circulerend helium, een regeneratorspiraal en een expansieventiel, en het hele zaakje voorkoelen met vloeibare waterstof. In zijn ‘Bakerian Lecture’ van 1901 rekende Dewar voor dat, uitgaande van vloeibare of vaste waterstof, op die manier liquefactie van helium moest lukken mits de kritische temperatuur niet beneden de 6 à 8 kelvin lag, corresponderend met een kookpunt van 4 à 5 kelvin.43 Overigens meende Dewar dat met vloeibaar helium de laatste stap op weg naar het absolute nulpunt niet gezet was en hij zinspeelde op de (onmogelijke) vondst van een nieuw edelgas, tweemaal zo licht als helium, dat nog diepere koude mogelijk zou maken.

Mei 1903 was Dewar al flink opgeschoten. In een brief aan Kamerlingh Onnes liet de Schot - die altijd over zijn zwakke gezondheid klaagde; ook op dat vlak waren Onnes en hij aan elkaar gewaagd - weten dat hij een hoeveelheid helium klaar had en spoedig van plan was de circulatie te starten, zij het niet met vloeibare waterstof als voorkoeling maar met vloeibare stikstof. ‘It is however a very complicated and risky business as you well know,’ liet Dewar weten. ‘I have already lost 1 cilinder of helium by the breaking of vacuum vessels during the course of its circulation at liquid air temperatures and I dread any repetition of the disaster.’ Waarna hij zijn Nederlandse concurrent weer eens een complimentje maakte: ‘I only wish that I had again the gift of growth so that I might begin my scientific career after a training in your Dutch school of science.’44

In zijn antwoord liet Onnes - weinig diplomatiek - weten dat Dewar de ramp met het verloren helium niet was overkomen als hij had beschikt over

de Leidse kwikcompressor voor zuivere gassen, de Cailletet-pomp die Onnes aan het begin van zijn cryogene loopbaan met bloed, zweet en tranen had aangepast. Daarmee sloeg hij de spijker op zijn kop. Terugblikkend zei Dewar in 1908 dat twee problemen hem parten speelden: het verkrijgen van een voldoende hoeveelheid zuiver helium, en het maken van genoeg vloeibare waterstof om de heliumcyclus in bedrijf te houden. Dat alles, zo gaf hij toe, vereiste een fabrieksmatige aanpak en de gang van zaken in de Royal Institution leek daar in de verste verte niet op. ‘In my work I have never been able to do anything unless substantially with my own hands,’ schreef Dewar in 1904 naar Leiden, en: ‘In pioneering work assistants are a waste’.45 Op dat moment had Onnes een legertje ‘blauwe jongens’ om zich heen verzameld, aangevoerd door uitmuntende technici als Flim en Kesselring.

Maar één ding had Onnes niet: helium. Begin juni 1905 wendde hij zich tot de directie van de Bath-bronnen, maar die verwezen hem door naar Dewar. Prompt schreef Onnes naar Londen.46 ‘I thought you had occasionally helium containing gas from them but now I learn from the letter that you have put up [in Bath] a plant of machinery there for extracting the gases regularly. Of course, if I had been aware of this, knowing your kindness, I would have addressed myself immediately to you in the hope that you will let me share in the costs as well as in de profit.’ Onnes zei zover gevorderd te zijn dat hij toe was aan het nauwkeurig bepalen van de heliumisothermen, van belang voor het bepalen van de kritische temperatuur en typisch een klus voor Leiden - eerder had Dewar geschreven dat nauwkeurig meten en pionierswerk niet samen gingen.47 Onnes zat te springen om liters zuiver heliumgas, en bij gebrek aan een leverancier klopte hij aan bij Dewar. Ter geruststelling van de Schot verzekerde Onnes dat het hem twee jaar zou kosten eer hij het helium uit Bath voldoende gezuiverd had. En waren de isothermen niet de aangewezen route naar een betrouwbaar kritisch punt, wat weer antwoord kon geven op de prangende vraag of helium via de Joule-Thomson-aanpak überhaupt vloeibaar te maken viel?

Zover ging de collegialiteit van Dewar nu ook weer niet. ‘We both want the same material in quantity from the same place at the same time and the supply is not sufficient to meet our great demands,’ liet de Schot weten. ‘It is a mistake to suppose the Bath supply is so great.’48 Als goedmakertje voor deze weigering zei hij dat, indien zijn slechte gezondheid verder werken onmogelijk maakte, hij wellicht Onnes zijn helium zou toespelen. Onnes trok zijn conclusies en ging naarstig op zoek naar een andere leverancier. Die vond hij in Ramsay. In zijn reactie op Onnes' verzoek schreef deze dat zijn helium geen neon bevatte (een groot voordeel ten opzichte van Dewar) en simpel te zuiveren was van nog aanwezige lucht door het gas door vloei-

baar waterstof te leiden, terwijl sporen waterstof zich chemisch lieten verwijderen. ‘Zodra Travers ermee klaar is,’ schreef Ramsay naar Onnes, ‘kon Leiden erover beschikken.’49 Het zuiveren kostte meer moeite dan Ramsay deed voorkomen. Leiden en Londen ontdekten onafhankelijk van elkaar - iets wat Dewar na enig gesteggel erkende - dat samenpersen bij zo laag mogelijke temperatuur dé manier was om verontreinigingen uit het helium te vriezen.50

In Londen wilde het met de heliumcyclus niet vlotten. Assistent Lennox had het liefst een metalen liquefactor gemaakt, maar Dewar wilde (net als Onnes) zien wat er gebeurde. De installatie van Dewar vrat vloeibare waterstof: na vier minuten heliumcirculatie was er al zes liter verdampt. Erger was dat de installatie die het helium uit Bath moest zuiveren gebrekkig functioneerde. Het gevolg was dat in de heliumcyclus kranen verstopt raakten of vast kwamen te zitten door bevriezend neon. Samenwerking met Ramsay, die als geen ander wist hoe je edelgassen moest zuiveren, had Dewar wellicht uit de nesten geholpen, maar dat zat er na de ruzie van 1898 niet in. Ook miste Dewar een pomp die het helium kon samenpersen zonder de cyclus te verontreinigen. En tot overmaat van ramp draaide een jonge technicus van de Royal Institution ook nog eens een verkeerde kraan open, zodat 's nacht Dewars complete voorraad zuiver helium kon weglekken.51

In Leiden zou de aanval op het helium plaatsvinden in e', een klein lokaal dat in 1903 was opgeleverd, tegelijk met een ruimte voor elektromotoren die de pompen van de cascade aandreven. Bepalend voor de slaagkans waren de inversietemperatuur, beneden welke het Joule-Kelvin-proces afkoeling oplevert, en de kritische temperatuur, beneden welke vloeibaar helium in beeld komt. Over de waarde van de kritische temperatuur liepen de meningen sterk uiteen: Olszewski hield het op 1,7 kelvin, Dewar op 5 à 6 kelvin. In beide bepalingen ging het om beredeneerde schattingen. Aan Onnes de taak om via precisiemetingen, zijn specialiteit, de juiste waarde te achterhalen.

Met het meten van heliumisothermen bij uiteenlopende temperaturen, van +100oC tot -259oC (bevriezende waterstof), werd in 1905 begonnen. Maar voor de isothermen bepaald waren, bood zich een alternatieve methode ter bepaling van de kritische temperatuur aan. In de Akademievergadering van november 1906 kwam Onnes met een korte mededeling waarin hij een spectaculair verschijnsel beschreef: een gas dat zinkt in een vloeistof.52 Het ging bij dit barotropisch effect om heliumgas dat boven vloeibare waterstof werd samengeperst, tot het zonk. Op zo'n situatie is Van der Waals' theorie voor binaire mengsels van toepassing, een onderwerp dat vooral door toedoen van Kuenen, Verschaffelt en Keesom in Leiden een hoge vlucht had genomen.

Onnes deed een mengsel van 1 deel helium op 6 delen waterstof in een glazen buisje, dompelde het geheel in vloeibare waterstof en voerde de druk geleidelijk op. Tot 49 atmosfeer zag hij hoe vloeibare waterstof zich geleidelijk uit het mengsel afscheidde, door een holle meniscus gescheiden van het voornamelijk uit helium bestaande gas. Op dat moment zakte het gas opeens door de vloeistof heen ‘en bleef als een groote droppel op den bodem liggen’. Verder samenpersen tot 60 atmosfeer en ontspannen tot 32 atmosfeer leidde tot inkrimping en uitzetting van de bel, alsof het om een gas ging. Bij 32 atmosfeer ging de bel weer omhoog. Door drukverandering kon Onnes de bel naar believen laten rijzen of zinken. Eer het effect, inclusief het verband met de Ψ-oppervlakken van helium en waterstof, tot de bodem zou zijn uitgezocht, kon wel even duren, dacht Onnes. Vandaar zijn ‘schetsmatige mededeeling’ van het verschijnsel.

De theoretische afwikkeling van het bizarre effect was een kolfje naar de hand van Willem Keesom, op dat moment conservator van het Natuurkundig Laboratorium. Binnen een maand had hij de zaak tot in de finesses doordacht. Een van zijn bevindingen was dat uit de aard van het barotropisch verschijnsel bij helium en waterstof een schatting viel te maken van de kritische temperatuur van helium. Als in het Ψ-vlak van het mengsel waterstof-helium bij -253oC niet meer dan één ‘barotropische raakkoorde’ te trekken viel, en daar leek het sterk op, dan kon Keesom afleiden dat de kritische temperatuur nog geen 0,09 deel was van die van waterstof. Uiteindelijk was de conlusie dat de kritische temperatuur van helium vermoedelijk beneden de 2 kelvin lag. De resultaten van zijn onderzoek naar het barotropisch effect werden neergelegd in twee mededelingen, een met Kamerlingh Onnes en Keesom als auteurs, en een met alleen Keesom.53 Dat laatste was bijzonder en tekent Onnes' waardering voor het theoretische vernuft van zijn conservator.

Maar de uitkomst voor de kritische temperatuur van helium zal weinig vreugde hebben gewekt. Olszewski leek met zijn schatting van 1,7 kelvin gelijk te krijgen, wat betekende dat de Joule-Thomson-methode bij helium, zelfs uitgaande van vaste waterstof, weinig perspectief bood. Des te belangrijker werden de heliumisothermen, die de kritische temperatuur pas echt nauwkeurig zouden vastpinnen. Het duurde een jaar eer Onnes met de eerste resultaten naar buiten kwam. Het ging om isothermen tussen 100oC en -217oC (bevriezende zuurstof) en uit extrapolatie kon Onnes vaststellen dat het Boyle-punt op ongeveer -250oC lag, zodat Joule-Thomson-expansie van helium door een ventiel inderdaad afkoeling opleverde indien bij het vriespunt van waterstof werd begonnen. Vergelijking met waterstof leidde tot een kritische temperatuur van 6 kelvin, welk getal na toepassing van de

wet der overeenstemmende toestanden gecorrigeerd werd tot 5,3 kelvin. Omdat Onnes vermoedde dat helium méér dan waterstof van de wet der overeenstemmende toestanden zou afwijken, verwachtte hij in de praktijk een nog iets lagere waarde.54

Dat was een kritische temperatuur die wél welkom was. Nog meer goed nieuws: begin 1908 bevestigden de isothermen bij -252oC en -259oC de eerdere uitkomst.55 Gesterkt door dat getal besloot ook Onnes, niet gehinderd door de mislukkingen van Olszewski, Dewar en Travers, een poging te wagen het helium via eenmalige expansie in een glazen proefbuis te verdichten. Nee had je, ja kon je krijgen. Bovendien gebruikte Onnes meer heliumgas dan zijn voorgangers, ving hij het gas na expansie in een gashouder op en had hij onder in de proefbuis een bekertje aangebracht om de warmte-isolatie te verhogen.

Op 28 februari liet Onnes 7 liter helium bij -259oC van 100 atmosfeer tot 1 atmosfeer expanderen. Tot zijn niet geringe verbazing vulde de glazen buis onder de expansiekraan zich met een vlokkige, sneeuwachtige massa, waar hoogstens op een ijle nevel was gehoopt. De proef werd acht à negen keer herhaald, en steeds was er hetzelfde te zien - al werd het zicht op den duur gehinderd omdat het buisje aan de buitenkant besloeg.56 ‘Bij de ontspanning van het helium,’ aldus Onnes in zijn latere mededeling op de Akademie, ‘vormde zich een dikke grijze nevel, waaruit zich vaste massa's afzetten, die in het gasvormige helium als watachtige gedeeltelijk ook meer samenhangende massa's in een strooperige vloeistof zweefden, aan den wand kleefden en kantelende naar beneden daalden terwijl zij snel (in 20 seconden) verdampten. Van smelting was daarbij niets te bespeuren.’57

Als een lopend vuurtje verspreidde het nieuws zich door het laboratorium: ‘het helium is vast!’ In de Akademiezitting van 29 februari, dus direct de volgende dag, maakte Onnes het spectaculaire nieuws bekend en er ging een telegram naar Dewar. De Schot stuurde sportief een felicitatie en voelde zich verplicht The Times in te lichten. Zes weken later stuurde Dewar die krant weer een brief, nu met de boodschap dat het vaste helium uit Leiden een vergissing was gebleken. Onnes had intussen zijn Akademiemededeling ‘De verdichting van het helium’, welke titel in de Verslagen van februari 1908 alvast was vermeld, ingetrokken en kwam een maand later met een analyse: ‘Over proeven ter verdichting van het helium door expansie’. In zijn gretigheid de eerste te zijn had hij zijn eigen lessen in de wind geslagen. Waar Zeeman in 1896 zijn waarneming van de invloed van een magneetveld op licht pas naar buiten bracht na een serie grondige aanvullende proeven, liet Onnes iedere kritische bejegening van zijn heliumvlokken varen. Met als resultaat dat hij voor aap stond.

‘Werkelijk ben ik eenigen tijd,’ blikte Onnes in zijn verbeterde Akademiemededeling van maart terug, ‘ten gevolge van waarnemingen, die later tot twijfel aanleiding gaven of die onjuist bleken, in de overtuiging geweest, dat ik snel verdampend helium in vasten toestand damp had zien afgeven [...].’ Bij nader inzien bleken de verschijnselen terug te voeren op de aanwezigheid van waterstof in het helium: absorptieproeven met kool gaven een bijmenging van bijna 0,5 procent te zien. Die waterstof was tijdens de expansie uitgevroren, om snel te verdampen. Opmerkelijk bleef het dat ten hoogste 15 mm3 vaste waterstof 7 cm3 proefbuis voor een groot deel met vlokkige massa's had kunnen vullen. Ook leek het stijgen of dalen van een vaste stof in een gas mogelijk, al naar gelang de uitgeoefende druk: een variant van het barotropisch effect. Interessant, maar bijzaak. Toen Onnes met het gezuiverde helium de proef nog eens overdeed, was van de vlokken niets meer te bespeuren. ‘De verdichting van het zuivere helium,’ zo besloot Onnes zijn analyse, ‘blijft echter een open vraag, die nog een uitgebreid onderzoek vordert.’58

In een naschrift zei Onnes de expansieproef intussen bij een grotere uitstroomsnelheid van het helium te hebben herhaald, waarbij een dunne nevel te zien was geweest die in een seconde verdween. Waren het opnieuw sporen waterstof? Of duidde het andere voorkomen op een heliumvloeistofnevel? Helaas was de proefbuis gebroken en kon Onnes niet verder experimenteren. Deze keer hoedde hij zich voor overhaaste conclusies: ‘Eene beslissing over de kritische temperatuur van het helium is dus ook eerst door eene stelselmatige voortzetting van het onderzoek te verkrijgen, welke wegens de daaraan verbonden moeilijkheden nog wel geruime tijd in beslag zal nemen.’

Onnes wachtte niet tot de Engelse vertaling van zijn mededeling in druk verscheen maar stuurde begin april een eigenhandige versie naar Dewar.59 Die schreef terug dat hij alles had rechtgezet en maakte - opgelucht dat hij nog niet was verslagen - Onnes een compliment: ‘I wish all scientific men were as magnanimous as yourself in making immediate correction of faulty inferences from experimental data they had reason to believe at that time was correct.’ Probeerde Onnes zijn opponent zand in de ogen te strooien met zijn bewering dat het nog wel een tijd zou duren eer de beslissende proef genomen kon worden, Dewar deed niet anders. ‘If your value of 5oAbs of Tc [kritische temperatuur] is correct, then we are a long way from resulting static helium liquid or solid. In any case the Royal Institution has no money to [support] such very expensive [experiments] seeing it has no endowments to draw upon.’

Terwijl Dewar voortploeterde met vastvriezende kranen en verstopte lei-

dingen, schoot de zaak in Leiden lekker op. Onnes had de uitkomst van de heliumisothermen niet afgewacht en alvast een heliumliquefactor met regeneratorspiraal en dewarvat gebouwd, een ‘vertaling’ van de succesvolle waterstofliquefactor naar zo klein mogelijk formaat, alles gestuurd door de wet der overeenstemmende toestanden. Na drie maanden keihard doorwerken - het blazen van de benodigde grote vacuümglazen vergde het uiterste van Kesselrings kunsten - konden de toestellen worden gemonteerd en was de aangelegde voorraad zuiver helium voldoende om de aanval te wagen. Het extra helium (een paar honderd liter) dat de circulatiemethode vergde had Onnes op de kop weten te tikken via zijn broer Onno, die in Amsterdam een bureau voor handelsinlichtingen bestierde. Onno regelde dat twee zakken heliumhoudend monazietzand uit North-Carolina, die een Noorse firma naar Hamburg had laten verschepen (en waarvan de Amsterdamse vestiging van de Transvaalsche Bank- & Handelsvereeniging als tussenpersoon abusievelijk veronderstelde dat er ‘Zinnasche’ in zat) eind april op transport naar Leiden gingen.60 Het kostte 5 kronen per kilo,61 zodat Onnes in totaal circa 300 gulden kwijt was. Via een nogal omslachtige en tijdrovende procedure (zie de proloog) werd het monazietzand na aankomst in Leiden onder leiding van de chemicus H. Filippo bewerkt en gaf het zijn helium prijs.

Overigens was Onnes niet helemaal gerust met zijn heliumisothermen: die bij lagere temperatuur, zo kwam het hem voor, leverden een lagere kritische temperatuur dan die bij hogere temperatuur. Ook was hij als de dood dat een springend vacuümglas het werk van vele maanden teniet zou doen. En dan was er de vraag of de Cailletet-pomp-met-aanjager met zijn maximumcapaciteit van 1400 liter gas per uur (gemeten bij kamertemperatuur) kracht genoeg had: de Burckhardtpomp in de waterstofkringloop kon 15 keer zoveel aan. Pas toen bleek dat de waterstofliquefactor óók functioneerde als er met vloeibare lucht onder atmosferische druk werd gewerkt en de Burckhardtpomp viermaal zo langzaam liep als normaal, kreeg Onnes er weer vertrouwen in dat ook de Cailletet-pomp in de heliumcyclus voor zijn taak berekend was. Vervolgens was er het probleem van de vloeibare waterstof: die moest 's morgens, voor de aanval op het helium, geproduceerd worden. De wet der overeenstemmende toestanden vertelde Onnes hoeveel waterstof hij nodig had en hoe lang de heliumproef ging duren. ‘Zij bleven juist beneden de grens, waarbij het inrichten van de proef op de ontworpen wijze zou moeten worden ontraden,’ schreef Onnes, ‘doch, hoe nabij die grens was, is later gebleken.’ Kortom: het was kantje boord.

Maar het lukte: op 10 juli 1908 werd na een lange en zware dag 's avond om halfacht het vloeibare helium waargenomen (zie de proloog). Het Akademieverslag van deze prestatie is een hoogtepunt in de Nederlandstalige we-

tenschappelijke literatuur en vooral § 4, De proef, verdient het om in zijn geheel geciteerd te worden:

Nadat 9 Juli de reeds beschikbare hoeveelheid vloeibare lucht tot 75 liter was aangevuld, alle toestellen op sluiten onderzocht, luchtledig gepompt en met zuiver gas gevuld waren, werd 10 Juli te 5¾ uur 's morgens begonnen met het bereiden van vloeibare waterstof, waarvan te 1u 30 20 liter in verzilverde vacuumglazen afgetapt [...] gereed stonden. Intusschen was de heliumtoestel, bij verwarming van de daarbij behoorende buis met kool, luchtledig gepompt, en werd, bij afsluiting van deze buis, het in de overige heliumcirculatie bevatte glas door rondleiden over kool in vloeibare lucht door de zijleiding van de laatste sporen lucht bevrijd. De waterstofcirculatie van den heliumtoestel werd aan den waterstofgashouder en aan de luchtpomp, die den vorigen dag nog als chloormethylpomp bij de luchtbereiding gediend had, verbonden en deze geheele circulatie, voor zoover dit nog niet geschied was, luchtledig gepompt en met zuivere waterstof gevuld; ook werden de thermometers en de thermoelementen ingesteld. Te Iu 30 begon het afkoelen en vullen der glazen, die, met vloeibare lucht gevuld, de met vloeibare waterstof te vullen glazen beschermen, met zoodanige voorzorgen, dat toen zij op hun plaats gebracht waren, alles helder bleef. Te 2u 30 werd een aanvang gemaakt met het afkoelen van het vacuummaatglas en van den waterstofrefrigerator van den heliumliquefactor met behulp van waterstof geleid door een koelslang, die in vloeibare lucht gedompeld was. Te 3 uur was den temperatuur van den refrigerator volgens een der thermoelementen tot -180o gedaald. Toen werd vloeibare waterstof in het beschermingsglas gebracht en na eenig oponthoud door onbeteekenende stoornissen te 4u 20 begonnen met het overtappen van vloeibare waterstof in het vacuummaatglas en in den waterstofrefrigerator.
Tegelijkertijd werd het helium in circulatie door den liquefactor geleid. De druk, waaronder de waterstof verdampte, werd geleidelijk tot 6 cM. verlaagd, waarop hij vanaf 5u 20 bleef. Voortdurend werd het niveau in den refrigerator naar aanwijzing van den thermometer-niveauwijzer en de aflezing van het maatglas geregeld en voor het bijvullen van vloeibare waterstof [...] en vloeibare lucht overal waar dit noodig was [...] gezorgd. De druk van het helium in de spiraal werd inmiddels langzaam opgevoerd en tussen 5u 35 en 6u 35 geleidelijk van 80 op 100 atmosferen gebracht.
In het eerst van den daling van den heliumthermometer, die de temperatuur beneden de expansiekraan aanwees, zoo gering, dat gevreesd werd, dat hij in 't ongereede was geraakt, hetgeen een dubbel groote teleurstelling geweest zou zijn omdat ook juist te voren zich bij het goud-zilver thermoelement, dat bestemd was om dezelfde temperatuur aan te wijzen, een onregelmatigheid had



illustratie
Fig. 4.
Schematische weergave van de heliumliquefactor met de eraan gekoppelde heliumcryostaat. De waterstof (H2) dient als voorkoeling. Het heliumgas (He) treedt in een gesloten kringloop de installatie bij a binnen om via de regeneratorspiralen bij het expansieventiel k (via een lange staaf van buiten te bedienen) uit te komen en Joule-Thomson-afkoeling te ondergaan. Bij iedere cyclus daalt het helium aldus in temperatuur, tot het vloeibaar wordt. Via een hevel komt het vloeibare helium in de aparte cryostaat waar instrumenten en te onderzoeken stoffen in passen.


voorgedaan. Na langen tijd echter begon de eerst onbeduidende daling merkbaar te worden en daarna te versnellen. Eerst toen te 6u 45 een versnelde expansie werd toegepast, waarbij de druk in de spiraal van 95 tot 40 atm. daalde, werd er afkoeling van den thermometer beneden de waterstofthermometer opgemerkt. Bij volgende versnelde expansies, vooral als de druk niet te hoog was, werd telkens een duidelijk schommelen van de temperatuur naar lagere waarden bespeurd. Op den thermometer werd zoo bijvoorbeeld eenmaal ruwweg 6o K. afgelezen.
Intusschen werd de laatste fles van den voorraad vloeibare waterstof aan den toestel verbonden. En was er nog steeds niets anders dan eenig gewarrel bij de kraan op te merken geweest. De thermometer wees bij het versnelde expandeeren van 100 atm. af eerst zelfs eene verwarming aan, wat een vingerwijzing was om bij het verder werken den circulatiedruk tot op 75 atm. te verlagen. Terwijl ook nu in de heliumruimte niets opgemerkt werd begon de thermometer bij een aanwijzing van minder dan 5o K. van nu af merkwaardig constant te worden. Toen ook nog eens versnelde expansie van 100 atm. af beproefd werd kwam er eerst verwarming dan terugkeeren tot dezelfde standvastige temperatuur.
Het was, zooals Prof. Schreinemakers, die bij dit gedeelte van de proef tegenwoordig was, alsof de thermometer reeds in een vloeistof stond. Inderdaad bleek dit het geval. Er was [...] bij de constructie van den toestel op gerekend, dat de toestel zich wel eens met vloeistof kon vullen, zonder dat men het toenemen der vloeistof had opgemerkt. En de eerste maal is het verschijnen der vloeistof inderdaad aan de waarneming ontsnapt. Misschien is het waarnemen van het vloeistofoppervlak, dat voor de eerste maal toch al moeilijk kan zijn, nog moeilijker geworden, doordat het zich verscholen had bij het thermometerreservoirtje. Hoe het zij, later werd holblazen van het vloeistofoppervlak en stijgen van den vloeistofspiegel door bijstroomen van vloeistof bij versnelde expansie, wat nog voortging zelfs toen de druk tot 8 atm. daalde, duidelijk gezien.
Het vloeistofoppervlak werd door spiegeling van licht van onderen spoedig zeer duidelijk zichtbaar gemaakt en wel ontwijfelbaar, omdat het duidelijk doorboord werd door de draadjes van het thermoelement.
Dat was te 7u 30. Toen het oppervlak eenmaal gezien was, werd het niet meer uit het oog verloren. Het stond messcherp tegen den wand. Aan Prof. Kuenen, die op dit oogenblik kwam, viel het dadelijk in het oog, dat de vloeistof er uit zag, alsof zij bijna op hare kritische temperatuur was. Het eigenaardige voorkomen van het helium kan inderdaad het best vergeleken worden met dat van een meniscus van koolzuur in een Cagniard de la Tour-buis. Hier echter was de buis 5 cM. wijd. Men kon de drie vloeistofspiegels in de vacuumglazen, daar zij tegelijk te zien waren, zeer goed met elkaar vergelijken; het verschil van de waterstof en het helium was daarbij zeer sprekend.

Toen het vloeistofoppervlak zoover gedaald was, dat nog 60 cM3. vloeibaar helium aanwezig waren - er is dus vrij wat meer afgetapt - werd het in den gashouder aanwezige gas weggepompt en werd daarna afzonderlijk opgevangen het gas, dat uit deze vloeistofhoeveelheid weder zou worden gevormd. Reeds gedurende de proef werd de zuiverheid van dit gas door eene dichtheids bepaling (2.01) vastgesteld, die later door een ontploffingsproef met bijgevoegd knalgas en verder door een zorgvuldig spectroscopisch onderzoek werd bevestigd.
Te 8u 30 was de vloeistof tot op 10 cM3. verdampt, toen werd nagegaan of het helium bij verdamping onder verlaagden druk ook vast werd. Dit was niet het geval, ook niet toen de druk tot 2.3 cM. gedaald was. Er kon niet spoedig genoeg een voldoende verbinding met de groote luchtpomp, die tot 2 mM. zuigt, gemaakt worden, zoodat dit een volgende maal moet worden onderzocht. Intusschen heeft de gebrekkige verbinding den druk zeker onder 1 cM. en misschien nog lager doen dalen. Dat 7 mM. bereikt is, is niet onwaarschijnlijk.
Te 9u 40 waren er nog slechts een paar cM3 vloeibaar helium. Toen werd het werk geëindigd. Niet alleen de toestellen waren bij deze proef en hare voorbereiding tot het uiterste belast geweest, ook van mijn helpers was het uiterste gevorderd.
Zonder hun volharding en bezielde samenwerking had niet elk punt van het programma zoo onberispelijk tot zijn recht kunnen komen als nodig was om deze 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 terzijde 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.62

De liquefactie van het helium markeert Onnes' hoogtepunt van zijn wetenschappelijke loopbaan - hij was toen bijna 55 jaar oud. Dat het lukte met slechts 200 liter helium en 160 liter reserve, was gezien de constructie met hogedrukleidingen en de regeneratiespiraal een prestatie van formaat. Tot Onnes' spijt viel de grote Burckhardtpomp uit de luchtcyclus, die kon afpompen tot 2 mm kwikdruk, niet zo snel aan te koppelen, zodat de druk die eerste keer niet lager reikte dan 2,3 cm. Dat kwam overeen met 1,7 kelvin, onvoldoende om het helium te bevriezen - later bleek dat daarvoor hoge druk vereist was. Dat het Leidse helium zuiver was leed geen twijfel: kranen bleven prima functioneren en ook het laatste restje achtergebleven vloeistof was kraakhelder. Als voorlopig kookpunt, bepaald met een heliumgasthermometer, werd na correctie 4,5 kelvin aangehouden (een paar tienden te hoog). Kritische druk en dichtheid lagen verrassend laag. Ook viel het On-

nes op hoe beweeglijk vloeibaar helium was.

Na Dewar te hebben getelegrafeerd zette Onnes zich snel aan het schrijven van een Akademiemededeling. Methodes, heliumliquefactor (inclusief schematische tekeningen en een foto van de installatie) en heliumbereiding werden uitvoerig beschreven. Dewar kreeg lof toegezwaaid voor zijn ‘geniale vindingen’, Van der Waals voor zijn theorie en grote dank was er voor het technisch personeel. De mededeling werd door de Akademie, ongetwijfeld door toedoen van secretaris Van der Waals, nog in juli als los bijvoegsel aan het al verschenen verslag van de junivergadering gedrukt en rondgestuurd63 en ook de Engelse vertaling (met extra toelichting in voetnoten) kon Onnes eer de maand om was naar Londen sturen. Dat het inderdaad kantje boord was geweest mag blijken uit het feit dat bij een herhaling van de proef, waarbij het helium op de plaats waar het vloeibaar moest worden van opzij werd belicht door een lamp, de liquefactie faalde.64

Bij Dewar kwam de klap hard aan. Van het direct inlichten van The Times was ditmaal geen sprake. Het nieuws van het vloeibare helium stopte hij in een voetnoot van zijn persklaar liggende artikel ‘The Nadir of Temperature and Allied Problems’, waarin hij zijn ellende met vastvriezende kranen had uitgevent en had geschat dat 100 à 200 liter helium genoeg moest zijn (Onnes gebruikte 200 liter plus 160 liter reserve). Met zijn assistent Lennox kwam het al snel tot ruzie. Lennox, die bij het cryogene werk een oog had verloren, nam ontslag en zwoer nimmer nog een voet in de Royal Institution te zetten zolang Dewar leefde - hij zou woord houden.

Dewar was twee maanden na de nederlaag wel zo sportief namens Kamerlingh Onnes een voordracht te houden op de bijeenkomst van de British Association in Dublin - Heike zelf was na de zege ingestort en zat aan huis gekluisterd. Het ging om een licht aangepaste versie van Communication 108, de vertaling van het Akademieartikel. ‘The Dublin meeting of the British Association will be memorable for two things,’ schreef Dewar na afloop naar Leiden. ‘(1) The liquefaction of Helium by Prof. Dr. Onnes. (2) The Bursting of the Ramsay Bubble of transmutation of the Elements and other Unreliabilities.’65 Met vloeibaar helium zou Dewar zich de rest van zijn leven niet meer inlaten, wel met zeepvliezen.


Vorige Volgende

Over het gehele werk

auteurs