Vacuümkamer
Een vacuümkamer is een afgesloten ruimte waaruit vrijwel alle lucht en gas is weggepompt. Er blijft nooit een volledige leegte over — dat is technisch onmogelijk — maar de luchtdruk binnenin kan tot vele miljarden keren lager zijn dan de gewone atmosferische druk om ons heen. Denk aan een thermosfles: tussen de dubbele wand zit een dunne laag vacuüm die voorkomt dat warmte weglekt. Een vacuümkamer werkt volgens hetzelfde principe, maar dan op veel grotere schaal en met veel preciezere controle, en wordt gebruikt om processen mogelijk te maken die in gewone lucht niet zouden werken.
In nieuwsberichten over toekomsttechnologie duikt de vacuümkamer steeds vaker op: bij het testen van satellieten, bij de productie van geavanceerde computerchips, bij experimenten met kernfusie en bij de bouw van quantumcomputers. Zonder deze schijnbaar simpele 'lege doos' zouden veel van de technologieën die nu het nieuws halen, niet kunnen bestaan. Dit artikel legt uit hoe een vacuümkamer werkt, waarom hij zo belangrijk is, en wie er wereldwijd mee experimenteren.
Wat is het precies?
Een vacuümkamer is meestal een stevige, luchtdichte behuizing van roestvast staal, uitgerust met pompen die lucht en andere gassen naar buiten zuigen. Het bereiken van een goed vacuüm gebeurt stap voor stap, met verschillende soorten pompen die elkaar aflossen naarmate de druk lager wordt.
Eerst verwijdert een mechanische voorvacuümpomp het grootste deel van de lucht, tot een niveau dat 'grof vacuüm' heet. Daarna neemt een turbomoleculaire pomp het over: een soort supersnelle turbine met bladen die duizenden omwentelingen per seconde maken en gasmoleculen letterlijk wegslaan. Voor het allerlaagste niveau, het zogeheten ultrahoogvacuüm, worden vaak ionenpompen of getterpompen gebruikt, die overgebleven gasdeeltjes chemisch of elektrisch binden aan een oppervlak.
Drukniveaus worden uitgedrukt in eenheden als millibar (mbar) of pascal (Pa). Normale luchtdruk is ongeveer 1000 mbar; een 'hoogvacuüm' zit rond 10-6 mbar (een miljoenste daarvan), en 'ultrahoogvacuüm' gaat richting 10-10 mbar of lager — vergelijkbaar met de ijle atmosfeer rond de maan. Om zulke lage drukken te bereiken moet de hele kamer soms dagenlang worden verwarmd ('bakeout'), omdat metalen wanden van nature gasmoleculen vasthouden die anders langzaam blijven vrijkomen en het vacuüm bederven.
Wat wil men ermee bereiken?
De kern van de behoefte is steeds hetzelfde: lucht zit processen in de weg. Luchtmoleculen botsen tegen deeltjes, absorberen licht, veroorzaken oxidatie of geleiden warmte — en dat is precies wat onderzoekers en ingenieurs willen uitschakelen.
In de ruimtevaart simuleert een vacuümkamer de omstandigheden buiten de dampkring, zodat satellieten en telescopen op aarde al kunnen worden getest voordat ze worden gelanceerd. In de chipindustrie is vacuüm nodig omdat het licht dat gebruikt wordt om piepkleine structuren op een chip te 'printen' (extreem ultraviolet licht) door gewone lucht wordt geabsorbeerd. In de deeltjesfysica moeten deeltjes ongestoord met bijna lichtsnelheid door een buis kunnen razen zonder tegen luchtmoleculen te botsen. En bij quantumtechnologie voorkomt vacuüm dat gevoelige quantumbits worden verstoord door botsende gasdeeltjes of chemische verontreiniging.
Voorbeelden uit de praktijk
NASA's Space Power Facility in Plum Brook Station, Ohio, bevat de grootste thermische vacuümkamer ter wereld, met een doorsnede van ongeveer dertig meter. In 2017 werd hierin de James Webb Space Telescope maandenlang blootgesteld aan het vacuüm en de extreme temperatuurschommelingen van de ruimte, als laatste grote test voor de lancering in 2021.
CERN gebruikt in de Large Hadron Collider, operationeel sinds 2008, kilometerslange bundelpijpen met een ultrahoogvacuüm dat qua ijlheid in de buurt komt van de ruimte rond de maan. Alleen zo kunnen protonen er ongestoord in rondjes van bijna de lichtsnelheid doorheen razen.
ESA beschikt in Noordwijk, bij het ESTEC-testcentrum, over de Large Space Simulator: een grote vacuümkamer gecombineerd met kunstmatig zonlicht, waarin Europese satellieten en ruimtesondes worden getest op de omstandigheden die ze in de ruimte tegenkomen.
ASML in Veldhoven bouwt lithografiemachines die chips produceren met extreem ultraviolet licht (golflengte 13,5 nanometer). Omdat dit licht door lucht wordt weggevangen, werkt de hele optische kern van de machine in vacuüm. Sinds ongeveer 2019 wordt deze techniek op grote schaal ingezet voor de productie van de meest geavanceerde processoren.
ITER, de internationale fusiereactor in aanbouw in Cadarache, Frankrijk, heeft een ringvormig vacuümvat waarin straks een extreem heet plasma moet worden opgesloten. Voordat dat kan, moet eerst een ultrahoogvacuüm worden bereikt om verontreiniging van het plasma te voorkomen. De start van de eerste plasma-experimenten is meermaals uitgesteld en wordt momenteel niet eerder dan het midden van de jaren 2030 verwacht.
Hoe ver is de techniek?
De basistechnologie van vacuümpompen bestaat al decennia en is op zichzelf volwassen: turbomoleculaire pompen en ultrahoogvacuümsystemen worden al sinds de tweede helft van de twintigste eeuw gebruikt in laboratoria. Het is dus geen nieuwe technologie, maar de vraag ernaar groeit wel, gedreven door de chipindustrie, de commerciële ruimtevaart en quantumonderzoek.
De grootste uitdagingen zitten niet in het idee, maar in de schaal en de precisie. Grotere kamers zijn duurder, moeilijker luchtdicht te maken en gevoeliger voor lekken. Het bereiken van een ultrahoogvacuüm kost tijd en energie vanwege het noodzakelijke uitgassen van materialen. En het combineren van vacuüm met andere extremen — zoals de temperaturen van bijna het absolute nulpunt die quantumcomputers nodig hebben — maakt de systemen aanzienlijk complexer en duurder.
Onzeker blijft vooral hoe snel de vraag vanuit opkomende sectoren, zoals private ruimtevaartbedrijven en quantumtechnologie, de bestaande productiecapaciteit voor vacuümapparatuur onder druk zal zetten, en of dat tot langere levertijden of hogere kosten leidt.
Wie werken eraan?
Een klein aantal gespecialiseerde bedrijven levert het grootste deel van de vacuümpompen en -systemen wereldwijd: Leybold en Pfeiffer Vacuum uit Duitsland, Edwards Vacuum uit het Verenigd Koninkrijk (onderdeel van het Zweedse Atlas Copco), het Amerikaanse Agilent Technologies en het Japanse ULVAC.
Op onderzoeksgebied lopen grote internationale organisaties voorop: CERN in Zwitserland/Frankrijk voor deeltjesfysica, NASA en ESA (met het testcentrum ESTEC in Noordwijk) voor ruimtevaarttests, en de ITER Organization, een samenwerking tussen de EU, de Verenigde Staten, China, Rusland, Japan, Zuid-Korea en India, voor kernfusie. In de chipindustrie is het Nederlandse ASML wereldwijd toonaangevend op het gebied van vacuümlithografie. Universiteiten zoals de TU Delft, met onderzoeksgroep QuTech, gebruiken vacuümtechnologie in combinatie met extreme koude voor quantumonderzoek.