Τι είναι η Κρυογονική; Ποιες είναι οι εφαρμογές της κρυογονικής;

Η κρυογονική είναι η επιστημονική μελέτη των υλικών και των χαρακτηριστικών τους που παρατηρούνται σε πολύ χαμηλή θερμοκρασία. Ο όρος συνδέεται με τη φυσική, αλλά έχει εφαρμογές σε ένα ευρύ φάσμα θεμάτων, συμπεριλαμβανομένων των φαρμάκων, της επιστήμης των υλικών και της ηλεκτρονικής. Οι επιστήμονες και οι ειδικοί σε αυτόν τον τομέα ονομάζονται κρυογονιστές.

Η κρυογονική είναι η επιστημονική μελέτη των υλικών και των χαρακτηριστικών τους που παρατηρούνται σε πολύ χαμηλή θερμοκρασία. Η λέξη έχει ελληνική προέλευση, με cryo- που σημαίνει «κρύο» και –γενικό που σημαίνει «παράγω». Ο όρος συνδέεται με τη φυσική, αλλά έχει εφαρμογές σε ένα ευρύ φάσμα θεμάτων, συμπεριλαμβανομένων των φαρμάκων, της επιστήμης των υλικών και της ηλεκτρονικής. Οι επιστήμονες και οι ειδικοί σε αυτόν τον τομέα ονομάζονται κρυογονιστές.

Πρότυπα Κρυογονικής

Ακριβώς πόσο κρύο πρέπει να είναι ένα υλικό για να θεωρείται κρυογονικό είναι λίγο διφορούμενο στην επιστημονική κοινότητα. Τώρα, σύμφωνα με το Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας των ΗΠΑ (NIST), η κρυογονική σχετίζεται με υλικά που μελετώνται σε θερμοκρασίες κάτω από -180 °C (93,2 K), που είναι μια θερμοκρασία πάνω από την οποία δημοφιλή ψυκτικά όπως το φρέον και το υδρόθειο βρίσκονται σε αέριο κατάσταση και κάτω από την οποία μόνιμα αέρια όπως το οξυγόνο, το άζωτο, το υδρογόνο και το ήλιο βρίσκονται σε υγρή κατάσταση. Υπάρχει επίσης ένα εξειδικευμένο πεδίο μελέτης με το όνομα «υψηλής θερμοκρασίας κρυογονική», το οποίο ασχολείται με θερμοκρασίες πάνω από το σημείο βρασμού του υγρού αζώτου σε κανονική πίεση, δηλαδή από -195,8 °C (77,4 K) έως −50 °C (223,2 K).

Λίστα κρυογονικών υγρών

Παρακάτω δίνεται η λίστα με τα κοινά υγρά που χρησιμοποιούνται σε κρυογονικές εφαρμογές:

Κρυογονικό υγρό	Σημείο βρασμού
	Σε Kelvin (K)	Σε Κελσίου (oC)
Ηλιο-3	3.19	-269,96
Ηλιο-4	4.21	-268,94
Υδρογόνο	20.27	-252,88
Νέον	27.09	-246.06
Άζωτο	77.09	-196.06
Αέρας	78,80	-194,35
Φλούριο	85,24	-187,91
Αργόν	87,24	-185,91
Οξυγόνο	90,18	-182,97
Μεθάνιο	111,70	-161,45

Ο τομέας της κρυογονικής έκανε προόδους κατά τη διάρκεια του δεύτερου παγκόσμιου πολέμου, όταν οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι τα μέταλλα που υποβλήθηκαν σε χαμηλές θερμοκρασίες παρουσίαζαν μεγαλύτερη αντοχή στη φθορά. Βασίζεται σε αυτή τη θεωρία της κρυογονικής σκλήρυνσης , η εμπορευματοποίηση της κρυογονικής επεξεργασίας ξεκίνησε στα τέλη της δεκαετίας του 1960. Το 1965, ένας επιχειρηματίας που ονομάζεται Ed Busch ίδρυσε μια εταιρεία CryoTech στο Ντιτρόιτ. Ο Busch είχε ένα υπόβαθρο στη βιομηχανία θερμικής επεξεργασίας και ξεκίνησε την εταιρεία αφού εξέτασε τη δυνατότητα να βελτιώσει τη διάρκεια ζωής των μεταλλικών εργαλείων μεταξύ 300%-500% χρησιμοποιώντας κρυογονικά.

Πώς να αντιμετωπίσετε τα κρυογονικά υλικά;

Τα κρυογονικά υγρά συνήθως αποθηκεύονται σε εξειδικευμένα δοχεία που ονομάζονται φιάλες Dewar, που ονομάζονται από τον διάσημο επιστήμονα James Dewar. Πρόκειται για δοχεία διπλού τοιχώματος που έχουν μονωτικό κενό μεταξύ των τοίχων. Οι φιάλες Dewar σχεδιάστηκαν για την αποθήκευση ακόμη και εξαιρετικά κρύων υγρών, όπως υγρό ήλιο. Αυτές οι φιάλες επιτρέπουν στο αέριο να διαφύγει από το δοχείο για να αποφευχθεί η δημιουργία πίεσης από το βρασμό, που διαφορετικά θα μπορούσε να οδηγήσει σε έκρηξη.

Φιάλη Dewar (Προστασία φωτογραφίας:Cjp24/Wikimedia Commons)

Απαιτούνται ειδικοί αισθητήρες για τη μέτρηση της θερμοκρασίας των κρυογόνων. Λόγω του χαμηλού κόστους τους, οι ανιχνευτές θερμοκρασίας αντίστασης (RTD) προτιμώνται για μετρήσεις θερμοκρασίας έως και -243oC. Για τη μέτρηση θερμοκρασιών πιο κάτω από τους -243oC, χρησιμοποιούνται ειδικές δίοδοι πυριτίου.

Εφαρμογές της κρυογονικής

Η κρυογονική μπορεί να εφαρμοστεί σε διάφορους κλάδους, όπως η ιατρική, το διάστημα, η τεχνολογία κ.λπ. Έχοντας αυτό κατά νου, ας ρίξουμε μια πιο λεπτομερή ματιά στους τομείς όπου μπορεί να χρησιμοποιηθεί.

Κρυοχειρουργική

Η Κρυοχειρουργική είναι ένας ιατρικός κλάδος που προέρχεται από την κρυογονική που περιλαμβάνει την καταστροφή μη φυσιολογικών ή άρρωστων ιστών με χρήση κρυογονικών υλικών στη χειρουργική επέμβαση.

Μια απεικόνιση της κρυοχειρουργικής (Φωτογραφία:Brian Wowk/Wikimedia Commons)

Η κρυοχειρουργική είναι μια ελάχιστα επεμβατική χειρουργική επέμβαση που εκμεταλλεύεται την καταστροφική δύναμη των χαμηλών θερμοκρασιών στα κύτταρα του σώματος. Όταν η θερμοκρασία πέσει κάτω από ένα ορισμένο επίπεδο, αρχίζουν να σχηματίζονται κρύσταλλοι πάγου μέσα στο κύτταρο. Αυτό μειώνει την πυκνότητα των κυττάρων και τα σχίζει. Με αυτόν τον τρόπο, η κρυοχειρουργική χρησιμοποιείται στη θεραπεία εσωτερικών και εξωτερικών όγκων, καθώς και όγκων στα οστά. Ένα κοίλο όργανο που ονομάζεται κρυοανιχνευτής χρησιμοποιείται για τη θεραπεία εσωτερικών όγκων. αυτή η συσκευή τοποθετείται σε επαφή με τον όγκο. Αέριο αργό ή υγρό άζωτο διοχετεύεται μέσω αυτού του κρυοανιχνευτή στην περιοχή του όγκου. Συνήθως χρησιμοποιείται υπερηχογράφημα ή μαγνητική τομογραφία για τον ελιγμό του κρυοανιχνευτή και την παρακολούθηση της διαδικασίας κατάψυξης των κυττάρων. Με αυτόν τον τρόπο, η ζημιά στους κοντινούς ιστούς μπορεί να ελαχιστοποιηθεί.

Κρυοηλεκτρονική

Η κρυοηλεκτρονική ή κρυοτρονική είναι ένας κλάδος μηχανικής που προέρχεται από την κρυογονική που συνήθως περιλαμβάνει τη μελέτη της υπεραγωγιμότητας υπό κρυογονικές συνθήκες. Η κρυοηλεκτρονική είναι ένας σχετικά νέος τομέας και πολλές μελέτες είναι ακόμη σε εξέλιξη για να βρουν επαναστατικές εφαρμογές.

Ένας βασικός παράγοντας που καθορίζει τη μοίρα κάθε νέας τεχνολογίας είναι η χρησιμότητα και η οικονομική αποδοτικότητά της. Οι συσκευές και τα gadget που μπορούν να κάνουν χρήση της κρυοηλεκτρονικής και της υπεραγωγιμότητας, όπως υπολογιστές, γραμμές μετάδοσης πληροφοριών και μαγνητοκαρδιογραφία έχουν μεγάλες εμπορικές δυνατότητες. Οι επιστήμονες εργάζονται σε κρυογονικά προκειμένου να παράγουν μαζικά υπολογιστές με φθηνότερο κόστος με ένα κρυότρον σήραγγας—έναν διακόπτη που λειτουργεί με υπεραγωγιμότητα.

Ένα κρυότρον (Προστασία φωτογραφίας:gallica/Wikimedia Commons)

Σε μεγάλες μεγάλες πόλεις, η μετάδοση ηλεκτρικής ενέργειας με χρήση εναέριων καλωδίων είναι αδύνατη, επομένως χρησιμοποιούνται υπόγεια καλώδια. Ωστόσο, αυτά τα υπόγεια καλώδια θερμαίνονται αυξάνοντας την αντίσταση του καλωδίου, η οποία προκαλεί σπατάλη ισχύος. Οι υπεραγωγοί (αγωγοί με μηδενική εσωτερική αντίσταση) διαφημίζονται για να σταματήσουν αυτή τη σπατάλη ισχύος αυξάνοντας την απόδοση ισχύος, η οποία θα μπορούσε επίσης να επιτευχθεί με τη χρήση κρυογονικών υγρών, όπως το ήλιο ή το άζωτο. Πολλές μελέτες δοκιμών και σκοπιμότητας βρίσκονται σε εξέλιξη για να κατανοηθεί πώς μπορεί να χρησιμοποιηθεί η κρυογονική για την επίτευξη υπεραγωγιμότητας για τη μετάδοση ηλεκτρικής ενέργειας.

Η κρυοηλεκτρονική επιτρέπει πιο ακριβείς μετρήσεις και μετρήσεις ρεύματος, τάσης και ισχύος και μπορεί να βρει πολύ συναρπαστικές εφαρμογές που απαιτούν ακριβή έλεγχο, όπως διαστημόπλοιο και βιοϊατρικό όργανο.

Άλλες εφαρμογές

Εκτός από τους τομείς της ιατρικής και της ηλεκτρονικής, η κρυογονική βρίσκει εφαρμογή και σε πολλούς άλλους τομείς. Χρησιμοποιούνται για την παραγωγή κρυογονικών καυσίμων, όπως υγρό υδρογόνο και υγρό οξυγόνο (LOX) για πυραύλους και διαστημόπλοια. Η κρυογονική κατάψυξη χρησιμοποιείται στη μεταφορά και αποθήκευση μεγάλων ποσοτήτων τροφίμων για μεγαλύτερες χρονικές περιόδους. Η κρυογονική τεχνολογία που χρησιμοποιεί υγρό άζωτο και διοξείδιο του άνθρακα δημιουργεί ένα ανατριχιαστικό αποτέλεσμα και λευκή ομίχλη που βλέπουμε σε δημοφιλή νυχτερινά κέντρα. Το μόνο όριο για εφαρμογές από αυτό το συναρπαστικό πεδίο είναι η δική μας φαντασία!