Kwantum- en ruimtetijdonderzoek

Hannover Institut für Technologie - Schets (© Jörg Stanzick)

3D-snede Labor

3D-snede Einstein-lift

Albert Borucki - Carpus+Partner

Het toekomstgerichte laboratoriumgebouw HITec aan de Leibniz Universiteit Hannover biedt ruimte voor interdisciplinaire onderzoek op het hoogste niveau. Turbulentievrije cleanroomlucht, absolute temperatuurstabiliteit over meerdere verdiepingen heen, evenals verhoogde eisen aan de trillingsvrijheid – meestal gelijktijdig – stelden architecten, cleanroomplanners en specialisten voor technische gebouwinstallaties voor grote uitdagingen.

De onderzoekers en instituten van het excellencencluster QUEST (Centre for Quantum Engineering and Space-Time Research) aan de Leibniz Universiteit Hannover zijn wereldwijd toonaangevend op het gebied van kwantumengineering en ruimtetijdonderzoek. De wetenschappers ontwikkelen bijvoorbeeld lasermeetinstrumenten die lengtetoenames registreren van een fractie van een atoomkern, onderzoeken met hoogprecisie meetsensoren het zwaartekrachtsveld van de aarde of verifiëren aan de hand van lasermetingen naar de maan Einsteins relativiteitstheorie.

Om de onderzoeksomstandigheden op de locatie Hannover verder te verbeteren en het internationale topniveau te bevestigen, wordt momenteel het hoogmoderne Hannover Instituut voor Technologie – kortweg HITec – gebouwd. Aangrenzend aan de bestaande gebouwen in het universiteitsgebied Callinstraße/Appelstraße, staat het voor een toekomstgerichte onderzoeksinfrastructuur die – voor het eerst in Europa – fundamenteel onderzoek, toegepast onderzoek en technologische ontwikkeling interdisciplinair onder één dak verenigt. Hier zullen tot wel 120 wetenschappers uit de gebieden kwantumfysica, vaste-stoffysica, geodesie, laserontwikkeling en ruimtevaarttechnologie samenwerken.

In het nieuwe twee verdiepingen tellende, gedeeltelijk onderkelderde gebouw bevinden zich uitsluitend fysieke laboratoria, waarin optische instrumenten worden ontwikkeld, vervaardigd en getest, evenals enkele van de krachtigste onderzoeksinstallaties in Europa en wereldwijd: bijvoorbeeld een hooggespecialiseerde vezeltrekinstallatie voor ruimtevaartuitrusting over in totaal drie verdiepingen, een zogenoemde atoomfontein waarin de baan van atomen nauwkeurig wordt gemeten, en – als hoogtepunt voor de wetenschappers – de Einstein-lift, een vrije val-simulator voor experimenten onder gewichtloosheid. Deze bevindt zich in een naast het gebouw geplaatste toren van 40 m hoog.

„De onderzoekers in Hannover hebben voor hun complexe optische systemen en opstellingen een stofvrije cleanroomomgeving en de hoogste temperatuurstabiliteit nodig. De daarvoor benodigde TGA (Technische Gebouwausrüstung) zou echter, vanwege de door ventilatiesystemen of pompen veroorzaakte trillingen, de experimenten beïnvloeden. Daarnaast komen de storingsimpulsen door de vrije val-simulator“, aldus Albert Borucki, projectleider bij het voor HITec verantwoordelijke architecten- en ingenieursbureau Carpus+Partner, die de uitdaging bij de realisatie beschrijft.

Ook de wetenschappelijke grote apparaten, die deels in de laboratoria ondergebracht moeten worden, vormden voor de planners een moeilijke opgave. Bijvoorbeeld de reeds genoemde twaalf meter hoge trekinstallatie voor optische speciale vezels. Deze wordt gebruikt voor de productie van laseractieve vezels voor gebruik in de ruimte. Deeltjesinsluitsels moeten daarom absoluut worden vermeden. Ze zouden de optische eigenschappen van de vezels nadelig beïnvloeden en ze onbruikbaar maken. „Dus is de installatie ondergebracht in een cleanroom van klasse 7 volgens EN ISO14644-1, die over in totaal drie verdiepingen is verdeeld“, aldus Borucki.

Geen eenvoudige taak: de lucht moet op meerdere niveaus in de ruimte worden ingebracht, omdat anders temperatuurschommelingen de kwaliteit van de holle vezels zouden verminderen. „Hoge stromingssnelheden mogen daarbij echter absoluut niet optreden. De vezels zouden dan in trilling worden gebracht en beschadigd“, voegt Bernd Weiskopf toe, projectleider bij het voor ventilatie en koeling verantwoordelijke ingenieursbureau Wolf + Weiskopf. „Om toch de benodigde luchtvolumes te bereiken, wordt de luchttoevoer via textiele luchtuitlaten geregeld, die ringvormig rond de installatie lopen. De lucht stroomt door microgeperforeerde textiele slangen en komt gelijkmatig en stofvrij over het gehele oppervlak uit.“

Om de laboratoria te beschermen tegen trillingen die bijvoorbeeld door ventilatie- en koelsystemen of compressoren worden veroorzaakt, hebben de planners ze trillingsgeïsoleerd op twee locaties ondergebracht: Voor systemen die een ruimtelijke nabijheid tot de toepassing vereisen, beschikt HITec over een centraal technisch ruggengraat, die zich over de gehele lengte van het gebouw uitstrekt en vanaf elk laboratorium gemakkelijk bereikbaar is. Daarin zijn de systemen op elastomeerlagers geplaatst. Centrale installaties van de TGA bevinden zich daarentegen in de zogenaamde techniek-rugzak, die volledig van het laboratoriumgedeelte is ontkoppeld. Hier bevindt zich ook de lastenkraan, die nodig is voor het transport van zware onderzoeksinstrumenten naar de meetinrichtingen op het dak van het gebouw. Zo blijven de laboratoria ook beschermd tegen de trillingen die ontstaan bij het optillen en neerzetten.

Eveneens van het hoofdgebouw ontkoppeld is de 40 meter hoge toren, waarin de vrije val-simulator voor fundamenteel onderzoek op het gebied van de kwantumfysica is ondergebracht – de Einstein-elevator genoemd. In tegenstelling tot de gebruikelijke valdeuren, bestaan er wereldwijd niet meer dan tien installaties van deze omvang. In de toren bevindt zich een gondel die met behulp van drie elektromagnetische lineaire aandrijvingen verticaal kan worden versneld en afgeremd. Dankzij dit aandrijvingsconcept kunnen naast meersecundige experimenten onder gewichtloosheid ook experimenten onder zwaartekrachtskrachten worden uitgevoerd, zoals die bijvoorbeeld op de maan of Mars voorkomen.

In de gondel gelden niet de cleanroomcondities, maar deze wordt voor de experimenten afhankelijk van de behoefte gevuld met een beschermgas of geëvacueerd om een vacuüm te creëren. Ook hierin onderscheidt deze simulator zich van andere valdeuren, omdat bij deze altijd de volledige valbuis moet worden geëvacueerd om de luchtweerstand te elimineren. Zo kunnen tot wel 100 experimenten per dag worden uitgevoerd – een veelvoud van het anders mogelijk aantal.

Bij de planning van de toren voor de Einstein-elevator kwamen voor de architect en de ingenieurs twee uitdagingen naar voren: Allereerst moet over de gehele hoogte van bijna veertig meter een constante temperatuur worden gewaarborgd, zodat de uiterst precieze geleiding van de gondel niet wordt vervormd. Anders zou de lift kunnen blokkeren en de aandrijvingen beschadigen. Ook hier bevinden zich luchttoevoeren op meerdere niveaus.

„Maar vooral ontstaan door de versnelling- en remprocessen impulsen die zich als trillingen op de laboratoriumruimtes zouden overbrengen“, aldus Borucki. „Daarom is de toren en de controle- en proefvoorbereidingsruimte volledig trillingsvrij gescheiden van de rest van het gebouw door een scheidingsvoeg.“ De twee ruimtes bevinden zich, zoals ongeveer een derde van de toren, onder het aardoppervlak en kunnen worden betreden via de kelder van het HITec.

Daar, evenals in het niet-onderkelderde gedeelte van de begane grond, bevinden zich ook de cleanroomlaboratoria met de hoogste trillingsontkoppeling. Ze voldoen aan de criteria volgens VC-E, dat wil zeggen dat het toegestane trillingsniveau hier slechts 3,1 μm/s bedraagt. Ter vergelijking: de menselijke waarnemingsdrempel ligt bij ongeveer 100 μm/s. De met toegangsschermen en luchtdouches uitgeruste ruimtes voldoen aan ISO-klasse 5 tot 7. Hier worden onder andere de blanken voor de vezeltrekinstallatie vervaardigd. Daarnaast is er een cryolab voor experimenten bij lage temperaturen. De luchttoevoer gebeurt via laminaire stroom-eenheden. Een essentieel criterium bij de inrichting van de laser- en optische laboratoria is het vermijden van daglicht en het beschermen tegen het ontsnappen van laserstralen naar de omgeving. Daarom hebben de architecten van Carpus+Partner alle laboratoria zo in het gebouw geplaatst dat ze door een omlopende gang extra afgeschermd zijn van buiten. Hun toegangsschermen kunnen alleen worden betreden vanaf deze, volledig omringende toegangsgang, die tevens dient als buffer om de temperatuursstabiliteit in de ruimten te handhaven.

De toegang tot HITec gebeurt via een brug die het nieuwe laboratoriumgebouw verbindt met een bestaand gebouw. Daar worden aanvullende onderzoeks-, kantoor- en communicatiekamers ondergebracht. De directe verbinding tussen de gebouwen met korte routes bevordert de interdisciplinaire uitwisseling tussen de onderzoeksgroepen.

„De laboratoria, testomgevingen en de geplande grote apparaten van het instituut bestaan in deze kwaliteit en bundeling nergens anders in Duitsland of op internationaal niveau“, aldus Prof. Dr. Ertmer, hoofd van de afdeling atoomoptiek en kwantumsensoren aan het Instituut voor Kwantumoptiek en vicevoorzitter van de Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG). „Met deze nieuwbouw voor onderzoek zetten we een belangrijke stap vooruit in onze inspanningen om niet alleen de Leibniz Universiteit, maar ook de hele onderzoeksstandplaats Hannover op het gebied van kwantumfysica, optische technologieën en geodesie op internationaal topniveau te vestigen“, voegt Prof. Dr.-Ing. Erich Barke, president van de Leibniz Universiteit, toe.

Andere betrokken vakplanners:
- EHS adviserende ingenieurs voor bouwkunde GmbH
- Ingenieursbureau Wolf + Weiskopf GmbH
- IKL + Partner Ingenieurgesellschaft mbH
- Raible + Partner GmbH & Co. KG
- m+p consulting Nord GmbH / IKM Ing. Büro / Möller + Partner PartG