Cryogenics-definitie en gebruik

Cryogenics wordt gedefinieerd als de wetenschappelijke studie van materialen en hun gedrag op extreem laag niveau temperaturen. Het woord komt uit het Grieks Cryo, wat "koud" betekent, en genetisch, wat "produceren" betekent. De term komt meestal voor in de context van natuurkunde, materiaalkunde en geneeskunde. Een wetenschapper die cryogene stoffen bestudeert heet a cryogeneist. Een cryogeen materiaal kan a worden genoemd cryogeen. Hoewel koude temperaturen kunnen worden gerapporteerd met elke temperatuurschaal, de Kelvin en Rankine schalen komen het meest voor omdat ze zijn absolute schalen die positieve cijfers hebben.

Hoe koud een stof moet zijn om als "cryogeen" te worden beschouwd, is een onderwerp van discussie door de wetenschappelijke gemeenschap. Het Amerikaanse National Institute of Standards and Technology (NIST) beschouwt cryogenics als temperaturen onder -180 ° C (93,15 K; −292.00 ° F), een temperatuur waarboven gewone koelmiddelen (bijv. Waterstofsulfide, freon) zijn gassen en waaronder "permanente gassen" (bijv. lucht, stikstof, zuurstof, neon, waterstof, helium) zijn vloeistoffen. Er is ook een studiegebied genaamd "cryogenica op hoge temperatuur", dat temperaturen boven het kookpunt omvat

Voor het meten van de temperatuur van cryogene stoffen zijn speciale sensoren nodig. Weerstandtemperatuurdetectoren (RTD's) worden gebruikt om temperatuurmetingen te doen vanaf 30 K. Onder de 30 K worden vaak siliciumdiodes gebruikt. Cryogene deeltjesdetectoren zijn sensoren die een paar graden werken boven het absolute nulpunt en worden gebruikt om fotonen en elementaire deeltjes te detecteren.

Cryogene vloeistoffen worden meestal opgeslagen in apparaten die Dewar-kolven worden genoemd. Dit zijn dubbelwandige containers met een vacuüm tussen de wanden voor isolatie. Dewar-kolven bedoeld voor gebruik met extreem koude vloeistoffen (bijvoorbeeld vloeibaar helium) hebben een extra isolerende container gevuld met vloeibare stikstof. Dewar-kolven zijn genoemd naar hun uitvinder, James Dewar. De kolven laten gas uit de container ontsnappen om te voorkomen dat drukopbouw kookt die tot een explosie kan leiden.

De volgende vloeistoffen worden het meest gebruikt in cryogene producten:

Er zijn verschillende toepassingen van cryogene stoffen. Het wordt gebruikt om cryogene brandstoffen voor raketten te produceren, waaronder vloeibare waterstof en vloeibare zuurstof (LOX). De sterke elektromagnetische velden die nodig zijn voor nucleaire magnetische resonantie (NMR) worden meestal geproduceerd door onderkoeling van elektromagneten met cryogene stoffen. Magnetische resonantiebeeldvorming (MRI) is een toepassing van NMR die maakt gebruik van vloeibaar helium. Infrarood camera's vereisen vaak cryogene koeling. Cryogeen invriezen van voedsel wordt gebruikt om grote hoeveelheden voedsel te vervoeren of op te slaan. Vloeibare stikstof wordt gebruikt om mist te produceren voor speciale effecten en zelfs speciale cocktails en eten. Door materialen met cryogenen te bevriezen, kunnen ze broos genoeg worden om in kleine stukjes te worden gebroken voor recycling. Cryogene temperaturen worden gebruikt om weefsel- en bloedmonsters op te slaan en om experimentele monsters te bewaren. Cryogene koeling van supergeleiders kan worden gebruikt om de transmissie van elektriciteit voor grote steden te verhogen. Cryogene verwerking wordt gebruikt als onderdeel van sommige legeringsbehandelingen en om chemische reacties bij lage temperatuur te vergemakkelijken (bijvoorbeeld om statinegeneesmiddelen te maken). Cryomilling wordt gebruikt om materialen te frezen die mogelijk te zacht of elastisch zijn om bij normale temperaturen te worden gefreesd. Afkoeling van moleculen (tot honderden nano-Kelvin) kan worden gebruikt om exotische materie te vormen. Het Cold Atom Laboratory (CAL) is een instrument dat is ontworpen voor gebruik in microzwaartekracht om Bose Einstein te vormen condensaten (ongeveer 1 pico Kelvin-temperatuur) en testwetten van de kwantummechanica en andere fysica principes.

Cryogenics is een breed veld dat verschillende disciplines omvat, waaronder:

Cryonics - Cryonics is het cryoconserveren van dieren en mensen met als doel ze in de toekomst nieuw leven in te blazen.

Cryochirurgie - Dit is een onderdeel van de operatie waarbij cryogene temperaturen worden gebruikt om ongewenste of kwaadaardige weefsels, zoals kankercellen of moedervlekken, te doden.

Cryo-elektronischs - Dit is de studie van supergeleiding, hoppen met variabel bereik en andere elektronische verschijnselen bij lage temperatuur. De praktische toepassing van cryo-elektronica wordt genoemd cryotronica.

Cryobiologie - Dit is de studie van de effecten van lage temperaturen op organismen, inclusief het behoud van organismen, weefsel en genetisch materiaal met behulp van cryopreservatie.

Terwijl cryogenics meestal betrekking heeft op een temperatuur onder het vriespunt van vloeibare stikstof maar boven die van absoluut nul, hebben onderzoekers temperaturen onder het absolute nulpunt bereikt (zogenaamde negatieve Kelvin temperaturen). In 2013 koelde Ulrich Schneider van de Universiteit van München (Duitsland) gas onder het absolute nulpunt, waardoor het naar verluidt heter werd in plaats van kouder!

• Braun, S., Ronzheimer, J. P., Schreiber, M., Hodgman, S. S., Rom, T., Bloch, I., Schneider, U. (2013) "Negatieve absolute temperatuur voor bewegingsgraden van vrijheid". Wetenschap339, 52–55.
• Gantz, Carroll (2015). Koeling: een geschiedenis. Jefferson, North Carolina: McFarland & Company, Inc. p. 227. ISBN 978-0-7864-7687-9.
• Nash, J. M. (1991) "Vortex-uitbreidingsapparaten voor cryogene producten op hoge temperatuur". Proc. van de 26e conferentie van Intersociety Energy Conversion EngineeringVol. 4, pag. 521–525.