Der Mann, der in die Kälte kam

Das Tieftemperaturlabor von Heike Kamerlingh Onnes in Leiden war ab 1908 für Jahre der kälteste Ort der Erde. Nach einem Wettlauf mit James Dewar gelang ihm als Erstem die Verflüssigung von Helium bei 4 Kelvin (–269 °C). Drei Jahre später entdeckte er in flüssigem Quecksilber die Supraleitung. 1913 erhielt er dafür den Physik-Nobelpreis. Vor 100 Jahren, am 21. Februar 1926, starb er hochgeehrt in Leiden.

Geboren am 21. September 1853 in Groningen als Sohn eines Ziegelfabrikanten, studierte Kamerlingh Onnes zunächst in seiner Heimatstadt. 1871 wechselte er nach Heidelberg, wo ihn Robert Bunsen und vor allem Gustav Kirchhoff prägten. Kirchhoff zeichnete den talentierten Studenten mit dem Seminarpreis aus, der eine Assistentenstelle beinhaltete. Unter dessen Einfluss wandte sich Onnes von der Chemie der Physik zu – insbesondere der theoretischen Physik.

Seine Dissertation entwickelte sich aus dem Bau eines Miniatur-Foucaultsches Pendels – eine Arbeit, die Kirchhoff angeregt hatte. Onnes zeigte theoretisch wie experimentell, dass das berühmte Pendel nur ein Spezialfall einer ganzen Klasse von Experimenten ist, mit denen sich die Erdrotation einfacher nachweisen lässt. 1878 trat er eine Assistentenstelle in Delft an und begegnete in dieser Zeit auch Johannes Diderik van der Waals. Dessen 1873 formulierte Zustandsgleichung realer Gase, die Molekülgröße und zwischenmolekulare Kräfte berücksichtigt, sollte für Onnes’ Forschung wegweisend werden.

Um die Gleichung experimentell zu prüfen, brauchte er tiefe Temperaturen: Die Abweichungen vom idealen Gasgesetz treten dort besonders deutlich hervor. 1882 wurde er Professor für Experimentalphysik und Meteorologie in Leiden und begann mit dem Aufbau eines Tieftemperaturlabors. Sein Leitmotiv „Door meten tot weten“ – Durch Messen zum Wissen – war Programm. Onnes dachte groß: Er wollte nicht nur Extremtemperaturen erreichen, sondern kontrollierbare, reproduzierbare Bedingungen für präzise Messungen schaffen.

Zwar hatten Louis P. Cailletet und Raoul P. Pictet 1877 unabhängig voneinander Sauerstoff und Stickstoff verflüssigt, jedoch nur in geringen Mengen. Onnes benötigte größere Mengen. Erst nach einem Jahrzehnt hatte er mit der Kaskadenmethode Erfolg: Eine Folge von Gasen mit zunehmend niedrigerem Siedepunkt wurde komprimiert, verflüssigt und anschließend zur Kühlung des jeweils flüchtigeren Gases genutzt – von Chlormethan über Ethylen bis zu Sauerstoff und Luft. So rückte er Schritt für Schritt zu tieferen Temperaturen vor.

Das nächste Ziel war flüssiger Wasserstoff. Auch Dewar arbeitete in Cambridge daran. Die Entwicklung industrieller Luftverflüssigungsanlagen durch Carl von Linde und William Hampson, die den James Prescott Joule und William Thomson beschriebenen Joule-Thomson-Effekt nutzten, verbesserte die Ausgangslage erheblich. 1898 gewann Dewar das Rennen um den Wasserstoff (20 K), produzierte jedoch nur geringe Mengen.

Kamerlingh Onnes und die Tieftemperaturphysik

Christian Joas und Georges Waysand • 6/2011 • Seite 23

Von Leitungsketten zur Paarhypothese

Stefan Jorda • 6/2011 • Seite 20

100 Jahre ohne Widerstand

Stefan Jorda • 7/2008 • Seite 27

Kalt und kostbar

Wolfgang Buck, Dietrich Einzel und Rudolf Gross • 5/2013 • Seite 37

Der Mann, mit dem die Kälte kam

Onnes verfolgte einen anderen Ansatz. Er baute eine leistungsfähige „Kältefabrik“ mit eigener Instrumentenschule und Glasbläserei auf. Sein Instrumentenbauer Gerrit Flim und der Glasbläsermeister Oskar Kesselring fertigten Apparaturen nach seinen Vorgaben. Nach einer zweijährigen Zwangspause – der Leidener Stadtrat hatte wegen der Lagerung explosiven Wasserstoffs interveniert – optimierte er den Prozess durch Rückführung nicht verflüssigten Gases. 1906 erzeugte er zunächst vier, später 13 Liter flüssigen Wasserstoff pro Stunde.

Damit war der Weg zum Helium frei. Das Element war 1895 von William Ramsay auf der Erde nachgewiesen worden, nachdem es zuvor nur aus dem Sonnenspektrum bekannt war. Onnes ließ Monazitsand aus North Carolina importieren; aus diesem isolierten Mitarbeiter in Monate langer Arbeit rund 300 Liter Heliumgas. Parallel konstruierte er eine neue Apparatur, die flüssige Luft und Wasserstoff zur Vorkühlung nutzte.

Am 10. Juli 1908 erreichte die Temperatur in Leiden schließlich 4 Kelvin. Nach einem langen Tag mit einigem Bangen und dem Verbrauch des gesamten Vorrats an Kühlmittel (20 Liter flüssiger Wasserstoff) schimmerte zwischen den Dewargefäßen erstmals flüssiges Helium. Onnes war dem absoluten Nullpunkt nähergekommen als jeder vor ihm. Für anderthalb Jahrzehnte blieb Leiden das einzige Labor weltweit, das Helium verflüssigen konnte.

Der eigentliche Paukenschlag folgte 1911: Beim Abkühlen von Quecksilber verschwand dessen elektrischer Widerstand sprunghaft. Onnes hatte die Supraleitung entdeckt; bald bestätigte er das Phänomen in Zinn und Blei. Sein Labor wurde zum internationalen Zentrum der Tieftemperaturphysik – ein früher Großforschungsbetrieb, getragen von der technischen Exzellenz der Werkstätten sowie Onnes organisatorischem Talent und Beharrlichkeit.

Kamerlingh Onnes verstand es, politische Unterstützung zu sichern und internationale Netzwerke zu knüpfen. Während des Ersten Weltkriegs engagierte er sich humanitär; später setzte er sich für die Reintegration deutscher Wissenschaftler in die internationale Gemeinschaft ein. Trotz chronischer Lungenschwäche bewältigte er ein enormes Arbeitspensum. Neben der Wissenschaft waren ihm seine Geschwister, seine Frau und Sohn Albert das Wichtigste. Sein Landhaus nahe Leiden war für seine Gastfreundlichkeit bekannt.

Mit der Verflüssigung des Heliums und der Entdeckung der Supraleitung prägte Heike Kamerlingh Onnes die Physik nachhaltig. Sein Anspruch, durch präzises Messen neues Wissen zu schaffen, machte Leiden zum Synonym für extreme Kälte – und ihn selbst zu „Monsieur Zéro Absolu“.