Institut za fiziku jedina je ustanova u Republici Hrvatskoj koja posjeduje ekspertizu u kriogenici baziranoj na tekućem heliju, osnovnom kriogenom mediju za postizanje vrlo niskih temperatura (do -269°C). Suvremena istraživanja u području fizike kondenzirane tvari u velikoj mjeri provode se u uvjetima niskih temperatura i velikih magnetskih polja. Navedeni uvjeti postižu se upravo korištenjem tekućeg helija za hlađenje materijala i rad jakih supravodljivih magneta.
Kriogeno postrojenje Instituta za fiziku već više od pola stoljeća prikuplja, reciklira i ukapljuje plinoviti helij te predstavlja središnje mjesto za opskrbu tekućim helijem znanstveno-istraživačkih institucija u Zagrebu. Glavni korisnici tekućeg helija ukapljenog na Institutu za fiziku su laboratoriji na Institutu za fiziku i Fizičkom odsjeku Prirodoslovno-matematičkog fakulteta Sveučilišta u Zagrebu, dok u ostale korisnike ubrajamo Institut Ruđer Bošković, Farmaceutsko-biokemijsku fakultet i Fakultet elektrotehnike i računarstva Sveučilišta u Zagrebu.
Kriogeno postrojenje ustrojbena je jedinica Instituta za fiziku te djeluje unutar Prototipske radionice i tehničkih službi. Kriogeno postrojenje ima dva stalno zaposlena tehničara:
Josip Pogačić – voditelj Kriogenog postrojenja
Igor Matić – tehnički suradnik za kriogeniku
Poslove organizacije rada, financijskog poslovanja i komunikacije s korisnicima tekućeg helija obavlja voditeljica Kriogenog postrojenja iz reda znanstvenika Instituta za fiziku, dr. sc. Nikolina Novosel.
Zašto kriogenika?
Suvremeni znanstveno-istraživački centar usredotočen na istraživanja u širokom spektru prirodnih znanosti, uključujući fundamentalnu fiziku kondenzirane materije, znanost o materijalima, farmaceutska istraživanja itd., ne može se zamisliti bez kriogenih eksperimentalnih uvjeta koji se koriste za hlađenje materijala na niske temperature i/ili dobivanje jakih magnetskih polja pomoću supravodljivih zavojnica. Usprkos širenju cryogen-free tehnologije tekući helij ostaje iz mnogih razloga temelj za niskotemperaturna istraživanja, pogotovo za institucije koje imaju privilegij postojanja već ranije izgrađenog sustava za ukapljivanj/recikliranje helija. Lociranje takvog sustava unutar ili u fizičkoj blizini istraživačkog centra uvjetovano je nizom razloga praktične i financijske prirode. Stoga je sustav za ukapljivanje helija danas nezaobilazni infrastrukturni element svakog većeg istraživačkog centra, pogotovo u području istraživanja fizike kondenzirane tvari. Prisustvo sustava za ukapljivanje helija je na taj način i svojevrsna mjera znanstveno-tehnološke razvijenosti i kompetitivnosti centra i sredine u kojoj se on nalazi. U posljednjim godinama značaj recikliranja plina helija postaje sve veći s obzirom na to da je helij neobnovljiv geološki resurs i njegova cijena na svjetskom tržištu kontinuirano raste. S tim u vidu, infrastruktura za recikliranje i ukapljivanje helija osigurava i financijsku održivost provođenja istraživanja.
Instalacija prvog ukapljivača helija na Institutu za fiziku u 60-im godinama prošlog stoljeća, nedugo nakon osnivanja samog Instituta odredilo je eksperimentalna istraživanja u fizici kondenzirane materije kao jednu od temeljnih znanstveno-istraživačkih grana Instituta. Sve do današnjeg dana pristup tekućem heliju na Institutu za fiziku omogućio je provođenje istraživanja i znanstvenih projekata, izradu doktorskih radova, objavljivanje brojnih znanstvenih radova u vrhunskim svjetskim časopisima te u konačnici neizostavan doprinos svjetskoj znanosti u području fizike kondenzirane materije.
Današnje Kriogeno postrojenje
Kriogeno postrojenje Instituta za fiziku modernizirano je i nadograđeno 2022. godine u sklopu provedbe projekta Kriogeni centar Instituta za fiziku (KaCIF) koji je financiran iz EU fondova u sklopu Poziva Ulaganje u organizacijsku reformu i infrastrukturu u sektoru istraživanja, razvoja i inovacija, KK.01.1.1.02.
Postrojenje za ukapljivanje helija središnji je dio Kriogenog postrojenja. Provedbom projekta KaCIF nabavljeno je i instalirano novo postrojenje za ukapljivanje helija VL100 njemačkog proizvođača Vorbuchner GmbH & Co. KG te je u potpunosti obnovljena infrastruktura postrojenja uključujući električne i strojarske instalacije te sustav za hlađenje sa chillerom. Kapacitet ukapljivanja helija je 20 l LHe/h bez prethlađivanja tekućim dušikom, dok kapacitet ukapljivanja raste do 40 l LHe/h korištenjem opcije prethlađivanja tekućim dušikom. Sastavni dijelovi postrojenja za ukapljivanje helija su: hladna komora (engl. coldbox) s ekspanzionim turbinama i ugrađenim pročišćivačem plina helija, kompresor za plin helij, sustav za uklanjanje ulja, sustav za kontrolu i upravljanje plinom, eksterna jedinica za sušenje plina helija, spremnik za plinoviti helij na tlaku 16 bar, stacionarni spremnik za tekući helij kapaciteta 1000 l te sustav za računalnu automatsku kontrolu i upravljanje radom ukapljivača helija.
Pored navedenog postrojenja za ukapljivanje helija, Kriogeno postrojenje opremljeno je i sustavom za recikliranje plina helija. Sustav za recikliranje plina helija sastoji se od balona volumena 20 m3, u koji se sustavom bakrenih cijevi dovodi ispareni tekući helij iz svih laboratorija na Institutu za fiziku, kompresora za reciklirani plin helij i 14 baterija (svaka baterija sastoji se od 12 čeličnih boca volumena 50 l) za pohranu plina helija pod visokim tlakom do max. 200 bar. Postrojenje je dodatno opremljeno senzorima tlaka, temperature i protoka plina koji su umreženi u jedinstven sustav za prikupljanje i prikaz podataka. Navedeni sustav omogućava lakše praćenje stanja sustava i brzu detekciju problema u radu sustava. Opremu Kriogenog postrojenja sačinjavaju i transportni spremnici za kriogene tekućine (tekući helij i tekući dušik) u kojima se one dovode u laboratorije Instituta za fiziku te oprema za pretakanje kriogenih tekućina.
Povijest Kriogenog postrojenja
Helij se na Institutu za fiziku ukapljuje u kontitnuitetu od zime 1967. godine kada je instaliran ukapljivač helija tvrtke AD Little, Inc. (tzv. Collinsov stroj konstruiran na MIT-u). Glavna zasluga tadašnjeg usmjeravanja prema kriogenici i fizici na niskim temparaturama pripada osnivaču Instituta za fiziku, akademiku Mladenu Paiću.
Na slici su (s desna na lijevo); akademik Ksenofont Ilakovac, tehničar Vlado Malnar, akademik Mladen Paić, dr. sc. Rudolf Krsnik i serviser tvrtke koja je isporučila uređaj (ime nepoznato).
Na slici su akademik Mladen Paić, dr. sc. Valerija Paić, prof. dr. sc. Boran Leontić, prof. dr. sc. Emil Babić, prof. dr. sc. Amir Hamzić, tehničar Mile Sertić, dr. sc. Đuro Drobac, dr. sc. Marko Miljak, dr. sc. Mladen Prester, dr. sc. Zlatko Vučić, dr. sc. Jagoda Lukatela, dr. sc. Katica Biljaković i dr. sc. Ana Smontara.
Nakon skoro 25 godina rada Collinsov ukapljivač je zamijenjen početkom 90-tih godina prošlog stoljeća novim ukapljivačem helija tvrtke Koch Process Systems, Inc.-USA, četverostruko većeg kapaciteta ukapljivanja (20 l helija na sat s prethlađivanje tekućim dušikom). Ovaj ukapljivač helija radio je sve do 18. ožujka 2022. godine nakon čega je demontiran zbog obnove postrojenja i instalacije novog ukapljivača helija. Znanstvenici Instituta za fiziku zaslužni za nabavu i instalaciju drugog po redu ukapljivača helija su dr. sc. Silvia Tomić i dr. sc. Marko Miljak, dok je dugogodišnji voditelj Kriogenog postrojenja bio dr. sc. Mladen Prester sve do 2017. godine kada voditeljica Kriogenog postrojenja postaje dr. sc. Nikolina Novosel.
