kriogenika

Azot jest cieczą poniżej -195,8 stopni Celsjusza (77K)

To jest schemat kosmicznego teleskopu na podczerwień, który potrzebuje zimnego lustra i instrumentów. Jeden instrument musi być jeszcze zimniejszy i ma chłodnicę kriogeniczną. Instrument znajduje się w regionie 1, a jego chłodnica kriogeniczna w regionie 3 w cieplejszym regionie statku kosmicznego. (patrz MIRI (instrument średniej podczerwieni) lub Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba )

Średniej wielkości dewar jest napełniany ciekłym azotem przez większy zbiornik kriogeniczny

W fizyce kriogenika to wytwarzanie i zachowanie materiałów w bardzo niskich temperaturach .

13. Międzynarodowy Kongres Chłodnictwa IIR (który odbył się w Waszyngtonie w 1971 r.) Zatwierdził uniwersalną definicję „kriogeniki” i „kriogeniki”, akceptując próg 120 K (lub –153 ° C), aby odróżnić te terminy od konwencjonalnego chłodzenia. Jest to logiczna linia podziału, ponieważ normalne temperatury wrzenia tak zwanych gazów trwałych (takich jak hel , wodór , neon , azot , tlen i normalne powietrze ) leżą poniżej 120 K, podczas gdy freonowe czynniki chłodnicze, węglowodory i inne powszechnie stosowane czynniki chłodnicze mają temperaturę wrzenia powyżej 120 K. Amerykański Narodowy Instytut Standardów i Technologii uważa dziedzinę kriogeniki za dziedzinę obejmującą temperatury poniżej -153 stopni Celsjusza (120 K; -243,4 Fahrenheita )

Odkrycie materiałów nadprzewodzących o temperaturach krytycznych znacznie przekraczających temperaturę wrzenia azotu wzbudziło nowe zainteresowanie niezawodnymi, tanimi metodami wytwarzania wysokotemperaturowego chłodzenia kriogenicznego. Termin „wysokotemperaturowy kriogeniczny” opisuje temperatury w zakresie od powyżej temperatury wrzenia ciekłego azotu, od -195,79 ° C (77,36 K; -320,42 ° F), do -50 ° C (223 K; -58 ° F).

Kriogenicy używają skali Kelvina lub Rankine'a , z których obie mierzą od zera absolutnego , zamiast bardziej typowych skal, takich jak Celsjusza , która mierzy od punktu zamarzania wody na poziomie morza lub Fahrenheita , który mierzy od punktu zamarzania konkretnego roztworu solanki w poziom morza.

Definicje i rozróżnienia

Kriogenika: Gałęzie inżynierii, które zajmują się badaniem bardzo niskich temperatur (ultraniskich temperatur, tj. poniżej 123 kelwinów), sposobów ich wytwarzania oraz zachowania się materiałów w tych temperaturach.

Kriobiologia: Dział biologii zajmujący się badaniem wpływu niskich temperatur na organizmy (najczęściej w celu kriokonserwacji ) .

Kriokonserwacja zasobów genetycznych zwierząt: Konserwacja materiału genetycznego w celu zachowania rasy.

Kriochirurgia: Dział chirurgii wykorzystujący temperatury kriogeniczne do niszczenia i zabijania tkanek, np. komórek nowotworowych.

Krioelektronika: Badanie zjawisk elektronicznych w temperaturach kriogenicznych. Przykłady obejmują nadprzewodnictwo i przeskakiwanie o zmiennym zakresie .

Krionika: Kriokonserwacja ludzi i zwierząt z zamiarem przyszłego odrodzenia. „Kriogenika” jest czasami błędnie używana w znaczeniu „Krionika” w kulturze popularnej i prasie.

Etymologia

Słowo kriogenika pochodzi od greckiego κρύος (cryos) – „zimno” + γενής (genis) – „generowanie”.

Płyny kriogeniczne

Ciecze kriogeniczne z temperaturą wrzenia w kelwinach i stopniach Celsjusza.

Płyn	Temperatura wrzenia (K)	Temperatura wrzenia (°C)
Hel-3	3.19	-269,96
Hel-4	4.214	-268.936
Wodór	20.27	-252,88
Neon	27.09	-246.06
Azot	77.09	-196.06
Powietrze	78,8	-194,35
Fluor	85,24	-187,91
Argon	87,24	-185,91
Tlen	90.18	-182,97
Metan	111,7	-161,45

Zastosowania przemysłowe

zdjęcie katalogowe zaworu kriogenicznego

Zawory kriogeniczne in situ ze skroploną wilgocią atmosferyczną

Skroplone gazy , takie jak ciekły azot i ciekły hel , są wykorzystywane w wielu zastosowaniach kriogenicznych. Ciekły azot jest najczęściej stosowanym pierwiastkiem w kriogenice i można go legalnie kupić na całym świecie. Ciekły hel jest również powszechnie stosowany i pozwala na osiągnięcie najniższych osiągalnych temperatur .

Ciecze te można przechowywać w kolbach Dewara , które są pojemnikami o podwójnych ściankach z dużą próżnią między ściankami, aby zmniejszyć przenoszenie ciepła do cieczy. Typowe laboratoryjne kolby Dewara są kuliste, wykonane ze szkła i zabezpieczone metalowym pojemnikiem zewnętrznym. Kolby Dewara do bardzo zimnych cieczy, takich jak ciekły hel, mają kolejny pojemnik o podwójnych ściankach wypełniony ciekłym azotem. Kolby Dewara zostały nazwane na cześć ich wynalazcy, Jamesa Dewara , człowieka, który jako pierwszy skroplił wodór . Termosy to mniejsze termosy umieszczone w obudowie ochronnej.

Kriogeniczne etykiety z kodami kreskowymi są używane do oznaczania kolb Dewara zawierających te płyny i nie zamarzają do -195 stopni Celsjusza.

Kriogeniczne pompy transferowe to pompy używane na pirsach LNG do przesyłania skroplonego gazu ziemnego z zbiornikowców LNG do zbiorników magazynowych LNG , podobnie jak zawory kriogeniczne.

Obróbka kriogeniczna

Dziedzina kriogeniki rozwinęła się podczas II wojny światowej, kiedy naukowcy odkryli, że metale zamrożone do niskich temperatur wykazują większą odporność na zużycie. W oparciu o tę teorię utwardzania kriogenicznego , w 1966 roku Bill i Ed Busch założyli komercyjny przemysł przetwarzania kriogenicznego . Mając doświadczenie w branży obróbki cieplnej , bracia Busch założyli w Detroit w 1966 roku firmę CryoTech, która połączyła się z 300 Below w 1999 roku, stając się największą i najstarszą na świecie komercyjną firmą zajmującą się przetwarzaniem kriogenicznym. ^{[ potrzebne źródło ]} Firma Busch pierwotnie eksperymentowała z możliwością wydłużenia żywotności narzędzi metalowych do dowolnego miejsca pomiędzy 200% a 400% pierwotnej oczekiwanej długości życia, stosując odpuszczanie kriogeniczne zamiast obróbki cieplnej. ^{[ potrzebne źródło ]} Pod koniec lat 90. rozwinęło się to w leczenie innych części ciała.

Kriogeny, takie jak ciekły azot , są ponadto wykorzystywane do specjalistycznych zastosowań związanych z chłodzeniem i zamrażaniem. Niektóre reakcje chemiczne, takie jak te stosowane do produkcji aktywnych składników popularnych statyn , muszą zachodzić w niskich temperaturach około -100 ° C (-148 ° F). Specjalne kriogeniczne reaktory chemiczne służą do odprowadzania ciepła reakcji i zapewnienia środowiska o niskiej temperaturze. Zamrażanie żywności i produktów biotechnologicznych, takich jak szczepionki , wymaga azotu w systemach zamrażania szokowego lub zamrażania zanurzeniowego. Niektóre miękkie lub elastyczne materiały stają się twarde i kruche w bardzo niskich temperaturach, co sprawia, że mielenie kriogeniczne ( kriomielenie ) jest opcją dla niektórych materiałów, które nie mogą być łatwo mielone w wyższych temperaturach.

Obróbka kriogeniczna nie zastępuje obróbki cieplnej, ale jest raczej przedłużeniem cyklu ogrzewanie-hartowanie-odpuszczanie. Zwykle, gdy przedmiot jest hartowany, końcowa temperatura jest równa temperaturze otoczenia. Jedynym powodem jest to, że większość urządzeń do obróbki cieplnej nie ma urządzeń chłodzących. Nie ma nic metalurgicznie istotnego w temperaturze otoczenia. Proces kriogeniczny kontynuuje to działanie od temperatury otoczenia do -320 ° F (140 ° R; 78 K; -196 ° C). W większości przypadków po cyklu kriogenicznym następuje procedura odpuszczania termicznego. Ponieważ wszystkie stopy nie mają takich samych składników chemicznych, procedura odpuszczania różni się w zależności od składu chemicznego materiału, historii termicznej i/lub konkretnego zastosowania narzędzia.

Cały proces trwa 3-4 dni.

Paliwa

Innym zastosowaniem kriogeniki są paliwa kriogeniczne do rakiet z ciekłym wodorem jako najczęściej używanym przykładem. Ciekły tlen (LOX) jest jeszcze szerzej stosowany, ale jako utleniacz , a nie paliwo. Wahadłowiec NASA , należący do NASA , wykorzystywał kriogeniczny wodór/tlen jako główny środek dostania się na orbitę . LOX jest również szeroko stosowany z RP-1 , węglowodorem niekriogenicznym, na przykład w rakietach zbudowanych dla radzieckiego programu kosmicznego przez Siergieja Korolowa .

Rosyjski producent samolotów Tupolew opracował wersję swojego popularnego projektu Tu-154 z kriogenicznym układem paliwowym, znaną jako Tu-155 . Samolot wykorzystuje paliwo określane jako skroplony gaz ziemny lub LNG, a swój pierwszy lot odbył w 1989 roku.

Inne aplikacje

Instrumenty astronomiczne na Bardzo Dużym Teleskopie są wyposażone w systemy chłodzenia o ciągłym przepływie.

Niektóre zastosowania kriogeniki:

Jądrowy rezonans magnetyczny (NMR) jest jedną z najpowszechniejszych metod określania fizycznych i chemicznych właściwości atomów poprzez wykrywanie absorbowanej częstotliwości radiowej, a następnie relaksacji jąder w polu magnetycznym. Jest to jedna z najczęściej stosowanych technik charakteryzacji i ma zastosowanie w wielu dziedzinach. Przede wszystkim silne pola magnetyczne są generowane przez elektromagnesy przechładzające, chociaż istnieją spektrometry , które nie wymagają kriogenów. W tradycyjnych solenoidach nadprzewodzących ciekły hel służy do chłodzenia cewek wewnętrznych, ponieważ ma temperaturę wrzenia około 4 K pod ciśnieniem otoczenia. Do okablowania cewki można zastosować tanie metalowe nadprzewodniki. Tak zwane wysokotemperaturowe związki nadprzewodzące można doprowadzić do nadprzewodnictwa przy użyciu ciekłego azotu, który wrze w temperaturze około 77 K.
Obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego (MRI) to złożone zastosowanie NMR, w którym geometria rezonansów jest rozkładana i wykorzystywana do obrazowania obiektów poprzez wykrywanie relaksacji protonów, które zostały zakłócone przez impuls o częstotliwości radiowej w silnym polu magnetycznym. Jest to najczęściej używane w zastosowaniach zdrowotnych.
W dużych miastach trudno jest przesyłać energię kablami napowietrznymi, dlatego stosuje się kable podziemne. Ale kable podziemne nagrzewają się, a rezystancja drutu wzrasta, co prowadzi do marnowania energii. Nadprzewodniki można by wykorzystać do zwiększenia przepustowości mocy, chociaż wymagałyby one cieczy kriogenicznych, takich jak azot lub hel, do chłodzenia specjalnych kabli zawierających stopy w celu zwiększenia przenoszenia mocy. Wykonano kilka studiów wykonalności, a złoże jest przedmiotem umowy w ramach Międzynarodowej Agencji Energii .

Ciężarówka dostarczająca gazy kriogeniczne w supermarkecie, Ypsilanti, Michigan

Gazy kriogeniczne stosowane są w transporcie i przechowywaniu dużych mas mrożonek . Kiedy bardzo duże ilości żywności muszą być przetransportowane do regionów takich jak strefy wojenne, regiony dotknięte trzęsieniami ziemi itp., muszą być przechowywane przez długi czas, dlatego stosuje się kriogeniczne zamrażanie żywności. Kriogeniczne zamrażanie żywności jest również pomocne w przemyśle spożywczym na dużą skalę.
Wiele kamer na podczerwień ( patrzących w przyszłość ) wymaga, aby ich detektory były chłodzone kriogenicznie.
Niektóre rzadkie grupy krwi są przechowywane w bankach krwi w niskich temperaturach, np. -165°C.
Technologia kriogeniczna wykorzystująca ciekły azot i CO ₂ została wbudowana w systemy efektów klubów nocnych , aby stworzyć efekt chłodu i białej mgły, którą można oświetlić kolorowymi światłami.
Chłodzenie kriogeniczne służy do chłodzenia ostrza narzędzia w czasie obróbki w procesie produkcyjnym . Zwiększa żywotność narzędzia. Tlen pełni kilka ważnych funkcji w procesie produkcji stali.
Wiele rakiet wykorzystuje gazy kriogeniczne jako paliwo. Należą do nich ciekły tlen, ciekły wodór i ciekły metan.
Zamrożenie opony samochodu lub ciężarówki w ciekłym azocie powoduje, że guma staje się krucha i może zostać zmiażdżona na małe cząstki. Cząsteczki te można ponownie wykorzystać do innych przedmiotów.
Badania eksperymentalne nad niektórymi zjawiskami fizycznymi, takimi jak spintronika i właściwości magnetotransportu, wymagają temperatur kriogenicznych, aby zaobserwować efekty.
Niektóre szczepionki muszą być przechowywane w temperaturach kriogenicznych. Na przykład szczepionkę Pfizer-BioNTech COVID-19 należy przechowywać w temperaturze od -90 do -60 ° C (od -130 do -76 ° F). (Patrz łańcuch chłodniczy ).

Produkcja

Kriogeniczne chłodzenie urządzeń i materiałów jest zwykle osiągane za pomocą ciekłego azotu , ciekłego helu lub mechanicznej chłodnicy kriogenicznej (która wykorzystuje wysokociśnieniowe przewody helowe). Chłodnice kriogeniczne Gifford-McMahon, chłodnice kriogeniczne z rurką pulsacyjną i chłodnice kriogeniczne Stirlinga są w powszechnym użyciu, a ich wybór opiera się na wymaganej temperaturze podstawowej i wydajności chłodzenia. Najnowszym osiągnięciem w kriogenice jest wykorzystanie magnesów jako regeneratorów, a także lodówek. Urządzenia te działają na zasadzie znanej jako magnetokaloryczny .

Detektory

Istnieją różne detektory kriogeniczne , które służą do wykrywania cząstek.

Do pomiaru temperatury kriogenicznej do 30 K stosuje się czujniki Pt100, rezystancyjny czujnik temperatury (RTD) . Dla temperatur niższych niż 30 K dla dokładności konieczne jest zastosowanie diody krzemowej .

Zobacz też

Dalsza lektura

Haselden, GG (1971), Podstawy kriogeniczne , Academic Press, Nowy Jork, ISBN 0-12-330550-0 .