In zahlreichen Hochtechnologiebranchen – darunter Halbleiterfertigung, Medizintechnik sowie Forschung – spielen angereicherte Isotope eine zentrale Rolle. Grundlage vieler dieser Prozesse ist die Zirkulation hochreiner Trägergase wie Helium. Um diese Gasströme stabil, effizient und kontaminationsfrei zu führen, setzt ein international tätiger Hersteller von Isotopen mit Sitz in den USA auf ölfreie Turbo Kompressoren.
Das Unternehmen ASP Isotopes entwickelt und betreibt Anlagen zur Anreicherung verschiedener stabiler Isotope. Dazu gehören beispielsweise Molybdän‑100, Ytterbium‑176, Zink‑68, Kohlenstoff‑14 und Nickel‑64 für medizinische Anwendungen sowie Silizium‑28 und Germanium‑73 für die Halbleiterindustrie. In solchen Anlagen zirkuliert Helium als Trägergas kontinuierlich durch den Prozess und transportiert die jeweiligen Isotope durch verschiedene Trennstufen.
Bereits geringe Kontaminationen oder instabile Betriebsbedingungen können die Qualität der angereicherten Isotope beeinträchtigen. In der Praxis bewegen sich zulässige Verunreinigungen im Helium im Bereich hochreiner Prozessgase, bei denen Fremdstoffe typischerweise nur im ppm- bis ppb-Bereich auftreten dürfen. Besonders kritisch sind dabei Ölspuren, Partikel oder reaktive Gase, da sie sich im Trennprozess anreichern und die Produktreinheit direkt beeinflussen können. Ebenso relevant sind stabile Betriebsbedingungen im Kreislauf: Druckschwankungen, Pulsationen im Gasstrom oder Temperaturdrift können zu Veränderungen der Strömungsprofile in den Trennstufen führen. Dadurch kann sich die Effizienz der Isotopentrennung verschlechtern oder im Extremfall der Prozessbetrieb instabil werden. Deshalb werden ausschließlich ölfreie Verdichter eingesetzt, um jegliches Risiko von Ölverunreinigungen im Prozessgas zu vermeiden.
Stabile Heliumzirkulation als Herausforderung
In der Isotopenanreicherung dient Helium als Trägergas innerhalb eines geschlossenen Kreislaufs. Die Kompressoren stellen das erforderliche Druckverhältnis bereit, um Druckverluste innerhalb dieses Systems auszugleichen und einen konstanten Massenstrom durch die Trennstufen zu gewährleisten. In der Anlage wird dazu ein Gesamt-Druckverhältnis im Bereich 3 aufgebaut. Dieses kompensiert Reibungsverluste in Rohrleitungen, Wärmetauschern und Trennelementen des Systems und sorgt dafür, dass der Heliumstrom kontinuierlich durch den Isotopen-Separator geführt wird.
In der Anlage von ASP Isotopes kommen dafür gasgelagerte Turbo‑Kompressoren der Celeroton AG, Volketswil bei Zürich, zum Einsatz. Das Unternehmen liefert sowohl die Kompressoren selbst als auch die zugehörige Steuerelektronik.
Insgesamt umfasst die Produktionsanlage zehn Einheiten mit jeweils 48 Turbo‑Kompressoren. Je vier Kompressoren sind in Serie geschaltet. Jeder Verdichter erzeugt ein Druckverhältnis von etwa 1,25, sodass sich über vier Stufen ein Gesamtverhältnis von rund 2,5 ergibt. Die Massenströme liegen typischerweise im Bereich von etwa 5 bis 15 g/s.
Die mehrstufige Anordnung erlaubt es, das erforderliche Druckverhältnis schrittweise aufzubauen. Dadurch arbeiten die einzelnen Verdichter in einem günstigen Betriebspunkt und erreichen hohe Massenströme bei vergleichsweise moderaten Druckverhältnissen. Ein einzelner Hochdruckkompressor würde für dieselbe Aufgabe deutlich mehr Energie benötigen.
Gaslager verhindern Kontamination
Die Turbo‑Kompressoren arbeiten mit Herringbone‑Gaslagern. Dabei schwebt der Rotor auf einem selbsttragenden Gasfilm, sodass kein mechanischer Kontakt zwischen rotierenden und festen Bauteilen entsteht. Der Verdichter arbeitet dadurch verschleißfrei und vollständig ohne Öl.
Ein weiterer Vorteil dieser Konstruktion besteht darin, dass keine rotierenden Dichtungen erforderlich sind. Der Rotor läuft vollständig im Prozessgas, während die Dichtstellen ausschließlich im Gehäusebereich liegen. Je nach Dichtkonzept lassen sich so Leckraten bis in den Bereich von etwa 10⁻⁶ mbar·l/s erreichen.
Radialverdichtung mit hohem Wirkungsgrad
Bei den eingesetzten Maschinen handelt es sich um Turbomaschinen mit Radialverdichtern. Diese Bauart erreicht konstruktionsbedingt deutlich höhere Wirkungsgrade als Seitenkanalverdichter. In vielen Anwendungen liegt der Wirkungsgrad etwa doppelt so hoch, sodass für dieselbe Verdichtungsarbeit nur ungefähr die halbe elektrische Eingangsleistung erforderlich ist.
Die Anlagen sind auf kontinuierlichen Betrieb ausgelegt und laufen in der Praxis nahezu ohne Start‑Stopp‑Zyklen. Grundsätzlich sind die Maschinen jedoch auch für Anwendungen geeignet, in denen mehrere zehntausend bis über eine Million Start‑Stopp‑Zyklen auftreten.
Dichtheit und Ressourcenschonung
Neben den prozesstechnischen und wirtschaftlichen Vorteilen spielt auch der nachhaltige Umgang mit Ressourcen eine zunehmend wichtige Rolle. Helium ist ein begrenzt verfügbarer Rohstoff, dessen Gewinnung aufwendig ist und der in zahlreichen Hochtechnologiebranchen benötigt wird. Eine möglichst verlustarme Rezirkulation ist daher sowohl wirtschaftlich als auch ökologisch sinnvoll.
Durch den geschlossenen Kreislauf und die hohe Dichtheit der eingesetzten Kompressoren lassen sich die Heliumverluste reduzieren, wobei die Systeme Leckraten bis in den Bereich von etwa 10⁻⁶ mbar·l/s erreichen. Dadurch bleibt das Helium nahezu vollständig im Prozesskreislauf und muss nur in sehr geringem Umfang nachgefüllt werden.
Auch die eingesetzte Verdichtungstechnologie trägt letztlich zu einem Plus an Nachhaltigkeit bei. Denn die Bauart des CT-1050-He mit einem radialen Verdichterprinzip, die gegenüber Seitenkanalverdichtern deutlich höhere Wirkungsgrade erzielt und zugleich eine effiziente lastabhängige Regelung des Betriebs erlaubt, senkt den Energiebedarf der Anlage. Besonders im Teillastbereich zeigt sich dies deutlich.
Die Kombination aus hoher Energieeffizienz, geringen Gasverlusten und ölfreiem Betrieb reduziert neben dem Ressourcenverbrauch auch den Wartungsaufwand. Zugleich verhindert die ölfreie Verdichtung, dass das Prozessgas kontaminiert wird und sichert so eine stabile Produktion hochreiner Isotope.
Fazit
Gasgelagerte, ölfreie Turbo‑Kompressoren ermöglichen eine stabile und kontaminationsfreie Zirkulation von Helium in Anlagen von ASP Isotopes zur Isotopenanreicherung. Die Kombination aus mehrstufiger Verdichtung, hohem Wirkungsgrad und geringer Leckrate erlaubt einen energieeffizienten Betrieb bei gleichzeitig hoher Prozesssicherheit.
Darüber hinaus trägt die Technologie auch zu einem nachhaltigeren Anlagenbetrieb bei. Durch die hohe Dichtheit der Systeme bleibt das wertvolle Helium nahezu vollständig im Kreislauf, während der effiziente Radialverdichter den Energiebedarf gegenüber konventionellen Verdichtungsprinzipien deutlich reduziert. Damit lassen sich sowohl Ressourcenverbrauch als auch Betriebskosten langfristig senken.
Gerade in Anwendungen, in denen hochreine Prozessgase und kontinuierliche Betriebsbedingungen entscheidend sind, stellt die eingesetzte Technologie somit eine zuverlässige Lösung dar.
Patrick Schulze
