Das Konzept der Kryotechnik verstehen

Kryotechnik ist definiert als die wissenschaftliche Untersuchung von Materialien und deren Verhalten bei extrem niedrigen Temperaturen. Das Wort kommt aus dem Griechischen Kryo, was "kalt" bedeutet, und genisch, was bedeutet "produzieren". Der Begriff wird normalerweise im Kontext von Physik, Materialwissenschaften und Medizin verwendet. Ein Wissenschaftler, der Kryotechnik studiert, heißt a Kryogenist. Ein kryogenes Material kann als a bezeichnet werden Kryogen. Obwohl kalte Temperaturen mit jeder Temperaturskala angegeben werden können, sind die Kelvin- und Rankine-Skalen am häufigsten, da es sich um absolute Skalen mit positiven Zahlen handelt.

Wie kalt eine Substanz sein muss, um als "kryogen" zu gelten, ist Gegenstand einiger Debatten in der wissenschaftlichen Gemeinschaft. Das US-amerikanische National Institute of Standards and Technology (NIST) geht davon aus, dass die Kryotechnik Temperaturen unter –180 ° C (93,15 K; –292,00 ° F) umfasst. Dies ist eine Temperatur, oberhalb derer gängige Kältemittel (z. B. Schwefelwasserstoff, Freon) Gase sind und unterhalb dessen "permanente Gase" (z. B. Luft, Stickstoff, Sauerstoff, Neon, Wasserstoff, Helium) Flüssigkeiten sind. Es gibt auch ein Forschungsgebiet namens "Hochtemperatur-Kryotechnik", das Temperaturen über dem Siedepunkt von flüssigem Stickstoff bei Normaldruck (-195,79 ° C (77,36 K; -320,42 ° F) bis zu -50 ° C (223,15 ° C) umfasst K; -58,00 ° F).

Die Messung der Temperatur von Kryogenen erfordert spezielle Sensoren. Widerstandstemperaturdetektoren (RTDs) werden verwendet, um Temperaturmessungen bis zu 30 K durchzuführen. Unterhalb von 30 K werden häufig Siliziumdioden verwendet. Kryo-Partikeldetektoren sind Sensoren, die einige Grad über dem absoluten Nullpunkt arbeiten und zur Detektion von Photonen und Elementarteilchen eingesetzt werden.

Kryogene Flüssigkeiten werden normalerweise in sogenannten Dewargefäßen aufbewahrt. Hierbei handelt es sich um doppelwandige Behälter, bei denen zwischen den Wänden ein Vakuum zur Isolierung herrscht. Dewargefäße zur Verwendung mit extrem kalten Flüssigkeiten (z. B. flüssigem Helium) weisen einen zusätzlichen Isolierbehälter auf, der mit flüssigem Stickstoff gefüllt ist. Dewargefäße sind nach ihrem Erfinder James Dewar benannt. Die Kolben lassen Gas aus dem Behälter entweichen, um zu verhindern, dass der Druckaufbau zum Kochen kommt und zu einer Explosion führen kann.

Kryogene Flüssigkeiten

In der Kryotechnik werden am häufigsten folgende Flüssigkeiten eingesetzt:

Flüssigkeit	Siedepunkt (K)
Helium-3	3.19
Helium-4	4,214
Wasserstoff	20,27
Neon	27.09
Stickstoff	77,36
Luft	78,8
Fluor	85,24
Argon	87,24
Sauerstoff	90,18
Methan	111,7

Verwendung von Kryotechnik

Es gibt verschiedene Anwendungen der Kryotechnik. Es wird zur Herstellung von kryogenen Treibstoffen für Raketen verwendet, darunter flüssiger Wasserstoff und flüssiger Sauerstoff (LOX). Die starken elektromagnetischen Felder, die für die Kernspinresonanz (NMR) benötigt werden, werden normalerweise durch Unterkühlung von Elektromagneten mit Kryogenen erzeugt. Die Magnetresonanztomographie (MRT) ist eine Anwendung der NMR, bei der flüssiges Helium verwendet wird. Infrarotkameras erfordern häufig eine Tieftemperaturkühlung. Das kryogene Einfrieren von Lebensmitteln wird zum Transportieren oder Lagern großer Mengen von Lebensmitteln verwendet. Flüssiger Stickstoff wird zur Erzeugung von Nebel für Spezialeffekte und sogar für Cocktail- und Lebensmittelspezialitäten verwendet. Durch das Einfrieren von Materialien mit Kryogenen können diese so spröde werden, dass sie für das Recycling in kleine Stücke zerbrochen werden können. Kryogene Temperaturen werden verwendet, um Gewebe- und Blutproben zu lagern und experimentelle Proben aufzubewahren. Die Tieftemperaturkühlung von Supraleitern kann zur Erhöhung der Stromübertragung in Großstädten eingesetzt werden. Die Tieftemperaturverarbeitung wird als Teil einiger Legierungsbehandlungen und zur Erleichterung chemischer Reaktionen bei niedrigen Temperaturen (z. B. zur Herstellung von Statinarzneimitteln) verwendet. Kryomahlen wird zum Mahlen von Materialien verwendet, die zu weich oder zu elastisch sind, um bei gewöhnlichen Temperaturen gemahlen zu werden. Die Kühlung von Molekülen (bis zu Hunderten von Nanokelvin) kann zur Bildung exotischer Materiezustände verwendet werden. Das Cold Atom Laboratory (CAL) ist ein Instrument, das für die Verwendung in der Schwerelosigkeit zur Bildung von Bose-Einstein-Kondensaten (um 1 Pico-Kelvin-Temperatur) und Testgesetzen der Quantenmechanik und anderer physikalischer Prinzipien entwickelt wurde.

Kryo-Disziplinen

Kryotechnik ist ein weites Feld, das mehrere Disziplinen umfasst, darunter:

Kryonik - Kryonik ist die Kryokonservierung von Tieren und Menschen mit dem Ziel, sie in Zukunft wiederzubeleben.

Kryochirurgie - Dies ist ein Zweig der Chirurgie, in dem kryogene Temperaturen verwendet werden, um unerwünschte oder bösartige Gewebe wie Krebszellen oder Muttermale abzutöten.

Kryoelektroniks - Dies ist die Untersuchung der Supraleitung, des Sprungens mit variablem Bereich und anderer elektronischer Phänomene bei niedriger Temperatur. Die praktische Anwendung der Kryoelektronik heißt Kryotechnik.

Kryobiologie - Dies ist die Untersuchung der Auswirkungen niedriger Temperaturen auf Organismen, einschließlich der Erhaltung von Organismen, Gewebe und genetischem Material unter Verwendung von Kryokonservierung.

Cryogenics Fun Fact

Während in der Kryotechnik normalerweise Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts von flüssigem Stickstoff und oberhalb des absoluten Nullpunkts auftreten, haben Forscher Temperaturen unterhalb des absoluten Nullpunkts (sogenannte negative Kelvin-Temperaturen) erreicht. 2013 kühlte Ulrich Schneider von der Universität München Gas unter den absoluten Nullpunkt ab, was es Berichten zufolge heißer statt kälter machte!

Quellen

• Braun, S., Ronzheimer, J.P., Schreiber, M., Hodgman, S.S., Rom, T., Bloch, I., Schneider, U. (2013) "Negative Absoluttemperatur für Bewegungsfreiheitsgrade". Wissenschaft 339, 52-55.
• Gantz, Carroll (2015). Kühlung: Eine Geschichte. Jefferson, North Carolina: McFarland & Company, Inc. p. 227. ISBN 978-0-7864-7687-9.
•  Nash, J. M. (1991) "Vortex Expansion Devices for High Temperature Cryogenics". Proc. der 26. Intersociety Energy Conversion Engineering Konferenz, Vol. 4, S. 521-525.