Cryogenics Ορισμός και χρήσεις

Η κρυογενική είναι η επιστημονική μελέτη των υλικών και η συμπεριφορά τους σε εξαιρετικά χαμηλές τιμές θερμοκρασίες. Η λέξη προέρχεται από την ελληνική γλώσσα cryo, που σημαίνει "κρύο", και genic, που σημαίνει "παραγωγή". Ο όρος συνήθως συναντάται στο πλαίσιο της φυσικής, της επιστήμης των υλικών και της ιατρικής. Ένας επιστήμονας που μελετά την κρυογονική ονομάζεται α cryogenicist. Ένα κρυογονικό υλικό μπορεί να ονομαστεί a κρυογόνο. Παρόλο που οι ψυχρές θερμοκρασίες μπορούν να αναφερθούν χρησιμοποιώντας οποιαδήποτε κλίμακα θερμοκρασίας, ο Κέλβιν και οι κλίμακες Rankine είναι πιο συνηθισμένες επειδή είναι απόλυτες κλίμακες που έχουν θετικούς αριθμούς.

Ακριβώς πόσο κρύο είναι μια ουσία που πρέπει να θεωρείται "κρυογονική" είναι ζήτημα κάποιας συζήτησης από την επιστημονική κοινότητα. Το Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας (NIST) των Ηνωμένων Πολιτειών θεωρεί ότι τα κρυογόνα περιλαμβάνουν θερμοκρασίες κάτω από -180 ° C (93,15 K; -292,00 ° F), η οποία είναι μια θερμοκρασία πάνω από την οποία είναι κοινά ψυκτικά μέσα (π.χ. υδρόθειο, φρέον) αέρια και κάτω από τα οποία είναι "μόνιμα αέρια" (π.χ. αέρας, άζωτο, οξυγόνο, νέον, υδρογόνο, ήλιο) υγρά. Υπάρχει επίσης ένα πεδίο μελέτης που ονομάζεται "cryogenics υψηλής θερμοκρασίας", το οποίο περιλαμβάνει θερμοκρασίες πάνω από το σημείο βρασμού

Η μέτρηση της θερμοκρασίας των κρυογενών απαιτεί ειδικούς αισθητήρες. Οι ανιχνευτές θερμοκρασίας αντίστασης (RTD) χρησιμοποιούνται για να λαμβάνουν μετρήσεις θερμοκρασίας τόσο χαμηλές όσο 30 K. Κάτω από 30 K χρησιμοποιούνται συχνά διόδους πυριτίου. Οι κρυογονικοί ανιχνευτές σωματιδίων είναι αισθητήρες που λειτουργούν σε λίγους βαθμούς πάνω από το απόλυτο μηδέν και χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση φωτονίων και στοιχειωδών σωματιδίων.

Τα κρυογονικά υγρά αποθηκεύονται συνήθως σε συσκευές που ονομάζονται φιαλίδια Dewar. Αυτά είναι δοχεία διπλού τοιχώματος που έχουν ένα κενό μεταξύ των τοίχων για μόνωση. Οι φιάλες Dewar που προορίζονται για χρήση με εξαιρετικά ψυχρά υγρά (π.χ. υγρό ήλιο) έχουν ένα πρόσθετο μονωτικό δοχείο γεμάτο με υγρό άζωτο. Οι φιάλες Dewar ονομάζονται για τον εφευρέτη τους James Dewar. Οι φιάλες επιτρέπουν στο αέριο να διαφύγει από το δοχείο για να αποφευχθεί η δημιουργία πίεσης από το βρασμό που θα μπορούσε να οδηγήσει σε έκρηξη.

Τα ακόλουθα υγρά χρησιμοποιούνται συχνότερα στην κρυογενική:

Υπάρχουν διάφορες εφαρμογές κρυογονικών μεθόδων. Χρησιμοποιείται για την παραγωγή κρυογονικών καυσίμων για ρουκέτες, συμπεριλαμβανομένων υγρού υδρογόνου και υγρού οξυγόνου (LOX). Τα ισχυρά ηλεκτρομαγνητικά πεδία που απαιτούνται για πυρηνικό μαγνητικό συντονισμό (NMR) παράγονται συνήθως με υπερψύξη ηλεκτρομαγνητών με κρυογονίδια. Η απεικόνιση μαγνητικού συντονισμού (MRI) είναι μια εφαρμογή NMR που χρησιμοποιεί υγρό ήλιο. Υπέρυθρες οι κάμερες απαιτούν συχνά κρυογονική ψύξη. Η κρυογονική κατάψυξη των τροφίμων χρησιμοποιείται για τη μεταφορά ή την αποθήκευση μεγάλων ποσοτήτων τροφίμων. Υγρό άζωτο χρησιμοποιείται για την παραγωγή ομίχλης για ειδικά εφέ ακόμη και ειδικά κοκτέιλ και φαγητό. Η κατάψυξη των υλικών που χρησιμοποιούν κρυογόνα μπορεί να τα κάνει αρκετά εύθραυστα ώστε να σπάσουν σε μικρά κομμάτια για ανακύκλωση. Οι κρυογονικές θερμοκρασίες χρησιμοποιούνται για την αποθήκευση δειγμάτων ιστών και αίματος και για τη διατήρηση πειραματικών δειγμάτων. Κρυογονική ψύξη των υπεραγωγών μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αύξηση της μετάδοσης ηλεκτρικής ενέργειας για τις μεγάλες πόλεις. Η κρυογενική επεξεργασία χρησιμοποιείται ως μέρος κάποιων επεξεργασιών κραμάτων και για τη διευκόλυνση των χημικών αντιδράσεων χαμηλής θερμοκρασίας (π.χ., για την παρασκευή φαρμάκων στατίνης). Το Cryomilling χρησιμοποιείται για τη μίξη υλικών που μπορεί να είναι πολύ μαλακά ή ελαστικά για να αλεσθούν σε κανονικές θερμοκρασίες. Η ψύξη μορίων (κάτω από εκατοντάδες νανο Kelvins) μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να σχηματίσει εξωτικές καταστάσεις της ύλης. Το εργαστήριο Cold Atom (CAL) είναι ένα όργανο σχεδιασμένο για χρήση στην μικροβαρύτητα για να σχηματίσει τον Bose Einstein συμπυκνώματα (περίπου 1 pico Kelvin temperature) και δοκιμάζουν τους νόμους της κβαντικής μηχανικής και άλλων φυσικών αρχές.

Το Cryogenics είναι ένα ευρύ πεδίο που περιλαμβάνει αρκετούς κλάδους, όπως:

Cryonics - Cryonics είναι η κρυοσυντήρηση των ζώων και των ανθρώπων με στόχο την αναβίωση τους στο μέλλον.

Κρυοχειρουργική - Αυτός είναι ένας κλάδος της χειρουργικής επέμβασης στην οποία οι κρυογονικές θερμοκρασίες χρησιμοποιούνται για να σκοτώσουν τους ανεπιθύμητους ή κακοήθεις ιστούς, όπως τα καρκινικά κύτταρα ή τα μόρια.

Cryoelectronics - Αυτή είναι η μελέτη της υπεραγωγιμότητας, της μετατόπισης μεταβλητής απόστασης και άλλων ηλεκτρονικών φαινομένων σε χαμηλή θερμοκρασία. Η πρακτική εφαρμογή της κρυοηλεκτρονικής καλείται cryotronics.

Cryobiology - Αυτή είναι η μελέτη των επιπτώσεων των χαμηλών θερμοκρασιών στους οργανισμούς, συμπεριλαμβανομένης της διατήρησης οργανισμών, ιστών και γενετικού υλικού κρυοσυντήρηση.

Ενώ οι κρυογονικές μέθοδοι συνήθως περιλαμβάνουν θερμοκρασία κάτω από το σημείο πήξης του υγρού αζώτου, αλλά πάνω από εκείνη του απόλυτο μηδέν, οι ερευνητές έχουν επιτύχει θερμοκρασίες κάτω από το απόλυτο μηδέν (αποκαλούμενο αρνητικό Kelvin θερμοκρασίες). Το 2013 ο Ulrich Schneider στο Πανεπιστήμιο του Μονάχου (Γερμανία) ψύχεται αέριο κάτω από το απόλυτο μηδέν, το οποίο σύμφωνα με πληροφορίες το έκανε πιο θερμό αντί για πιο κρύο!

• Braun, S., Ronzheimer, J. Ρ., Schreiber, Μ., Hodgman, S. S., Rom, Τ., Bloch, Ι., Schneider, U. (2013) "Αρνητική απόλυτη θερμοκρασία για κινητικούς βαθμούς ελευθερίας". Επιστήμη339, 52–55.
• Gantz, Carroll (2015). Ψύξη: Μια ιστορία. Jefferson, Βόρεια Καρολίνα: McFarland & Company, Inc. Π. 227. ISBN 978-0-7864-7687-9.
• Nash, J. Μ. (1991) "Συσκευές επέκτασης Vortex για Cryogenics Υψηλής Θερμοκρασίας". Proc. του 26ου Συνεδρίου Μηχανοργάνωσης Μετατροπής Ενέργειας, Vol. 4, σελ. 521–525.