Kryotechnik, Herstellung und Anwendung von Niedertemperaturphänomenen.
Der kryogene Temperaturbereich wurde definiert als von –150 ° C (–238 ° F) bis zum absoluten Nullpunkt (–273 ° C oder –460 ° F), der Temperatur, bei der die molekulare Bewegung so nahe wie theoretisch möglich ist, um vollständig aufzuhören. Kryogene Temperaturen werden normalerweise in der Absolut- oder Kelvin-Skala beschrieben, in der der absolute Nullpunkt als 0 K ohne Gradzeichen geschrieben wird. Die Umrechnung von der Celsius- in die Kelvin-Skala kann durch Hinzufügen von 273 zur Celsius-Skala erfolgen.
Die kryogenen Temperaturen sind erheblich niedriger als bei gewöhnlichen physikalischen Prozessen. Unter diesen extremen Bedingungen werden Materialeigenschaften wie Festigkeit, Wärmeleitfähigkeit, Duktilität und elektrischer Widerstand sowohl theoretisch als auch kommerziell verändert. Da Wärme durch zufällige Bewegung von Molekülen erzeugt wird, befinden sich Materialien bei kryogenen Temperaturen so nahe wie möglich an einem statischen und hochgeordneten Zustand.
Die Kryotechnik begann im Jahr 1877, dem Jahr, in dem Sauerstoff zum ersten Mal bis zu dem Punkt abgekühlt wurde, an dem er flüssig wurde (–183 ° C, 90 K). Seitdem ist die theoretische Entwicklung der Kryotechnik mit der Leistungssteigerung von Kühlsystemen verbunden. Als es 1895 möglich geworden war, Temperaturen von nur 40 K zu erreichen, wurde Luft verflüssigt und in ihre Hauptbestandteile getrennt; 1908 wurde Helium verflüssigt (4,2 K). Drei Jahre später wurde die Neigung vieler unterkühlter Metalle entdeckt, jeglichen Widerstand gegen Elektrizität zu verlieren - das als Supraleitung bekannte Phänomen. In den 1920er und 1930er Jahren wurden Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt erreicht, und bis 1960 konnten Laboratorien Temperaturen von 0,000001 K erzeugen, ein Millionstel Grad Kelvin über dem absoluten Nullpunkt.
Temperaturen unter 3 K werden hauptsächlich für Laborarbeiten verwendet, insbesondere zur Erforschung der Eigenschaften von Helium. Helium verflüssigt sich bei 4,2 K und wird zu dem, was als Helium I bekannt ist. Bei 2,19 K wird es jedoch abrupt zu Helium II, einer Flüssigkeit mit einer so niedrigen Viskosität, dass es buchstäblich die Seite eines Glases hochkriechen und durch zu kleine mikroskopische Löcher fließen kann um den Durchgang gewöhnlicher Flüssigkeiten, einschließlich Helium I, zu ermöglichen. (Helium I und Helium II sind natürlich chemisch identisch.) Diese Eigenschaft ist als Superfluidität bekannt.
Die wichtigste kommerzielle Anwendung kryogener Gasverflüssigungstechniken ist die Speicherung und der Transport von Flüssigerdgas (LNG), einem Gemisch, das größtenteils aus Methan, Ethan und anderen brennbaren Gasen besteht. Erdgas wird bei 110 K verflüssigt, wodurch es sich bei Raumtemperatur auf 1/600 seines Volumens zusammenzieht und für einen schnellen Transport in speziell isolierten Tankschiffen ausreichend kompakt ist.
Sehr niedrige Temperaturen werden auch verwendet, um Lebensmittel einfach und kostengünstig zu konservieren. Das Produkt wird in einen verschlossenen Tank gegeben und mit flüssigem Stickstoff besprüht. Der Stickstoff verdampft sofort und absorbiert den Wärmeinhalt des Erzeugnisses.
In der Kryochirurgie kann ein Niedertemperatur-Skalpell oder eine Sonde verwendet werden, um ungesundes Gewebe einzufrieren. Die resultierenden toten Zellen werden dann durch normale Körperprozesse entfernt. Der Vorteil dieser Methode besteht darin, dass das Einfrieren des Gewebes anstelle des Schneidens weniger Blutungen verursacht. Ein mit flüssigem Stickstoff gekühltes Skalpell wird in der Kryochirurgie verwendet; Es hat sich als erfolgreich bei der Entfernung von Mandeln, Hämorrhoiden, Warzen, Katarakten und einigen Tumoren erwiesen. Darüber hinaus wurden Tausende von Patienten wegen Parkinson behandelt, indem die kleinen Bereiche des Gehirns eingefroren wurden, von denen angenommen wird, dass sie für das Problem verantwortlich sind.
Die Anwendung der Kryotechnik hat sich auch auf Raumfahrzeuge ausgeweitet. 1981 wurde das US-Raumschiff Columbia mit Hilfe von flüssigen Wasserstoff / flüssigen Sauerstoff-Treibmitteln gestartet.
Von den besonderen Eigenschaften von auf extreme Temperaturen gekühlten Materialien ist die Supraleitung am wichtigsten. Seine Hauptanwendung war der Bau supraleitender Elektromagnete für Teilchenbeschleuniger. Diese großen Forschungseinrichtungen erfordern so starke Magnetfelder, dass herkömmliche Elektromagnete durch die zur Erzeugung der Felder erforderlichen Ströme geschmolzen werden könnten. Flüssiges Helium kühlt das Kabel, durch das die Ströme fließen, auf etwa 4 K ab, wodurch viel stärkere Ströme fließen können, ohne durch Widerstand Wärme zu erzeugen.
