Die Wissenschaft der Kryotechnik und warum es so cool ist

Kryotechnik klingt wie ein Science-Fiction-Handlungspunkt oder ein Begriff, den Sie möglicherweise in einer Broschüre „Wollen Sie für immer leben?“ Finden. Unabhängig davon handelt es sich um eine sehr reale Wissenschaft mit realen Anwendungen. Für die nicht eingeweihte Kryotechnikist die Wissenschaft, die sich mit der Herstellung, Wirkung und Verwendung einer Vielzahl von Materialien bei sehr niedrigen Temperaturen befasst. Der Begriff Kryotechnik leitet sich vom griechischen Wort "Kyros" ab, was Kälte bedeutet.

Dieses einzigartige Niedertemperaturfeld hat ein breites Anwendungsspektrum in der Luft- und Raumfahrttechnik, Medizin, Lebensmittelwissenschaft, Humanbiologie und Elektronik. Um die niedrigen Temperaturen zu veranschaulichen, werfen wir einen Blick auf unseren guten alten Kumpel H2OPhasenübergang von flüssig zu fest bei 32 ° F 0 ° C. Der in der Kryotechnik verwendete Temperaturbereich reicht im Allgemeinen von -238 ° F bis -459,4 ° F -150 ° C bis -273 ° C.459,4 ° F, was in der wissenschaftlichen Gemeinschaft auch als absoluter Nullpunkt bezeichnet wird, die Temperatur, bei der die Bewegung von Molekülen aufhört, wodurch sich daraus ergibt Moleküle befinden sich in ihrem niedrigsten Energiezustand .

Bei diesen ultrakalten Temperaturen ändern sich die chemischen Eigenschaften von Materialien, einschließlich Festigkeit, Wärmeleitfähigkeit, Elastizität und elektrischem Widerstand. Experimente in der Kryotechnik haben unser Verständnis der Materialwissenschaften gefördert und zur Entwicklung neuer Technologien geführt. Weil Wärmewird durch molekulare Bewegung erzeugt, bei kryogenen Temperaturen befinden sich Materialien in einem möglichst hochgeordneten und statischen Zustand.

Kryotechnik stammt aus dem Jahr 1877

Der Beginn der Kryotechnik kann dem Schweizer Physiker Rasul Pictet und dem französischen Ingenieur Louis P. Cailletet zugeschrieben werden. Unabhängig voneinander gelang es beiden Forschern, Sauerstoff so weit abzukühlen, dass er 1877 flüssig wurdeverschiedene Methoden, um dorthin zu gelangen. In der Kryotechnik können flüssige Gase bei oder unter -150 ° C -238 ° F verwendet werden, um andere Materialien einzufrieren.

Cailletet verflüssigter Sauerstoff nach einem als adiabatische Expansion bekannten Verfahren. Dies ist ein thermodynamischer Prozess. dies geschieht ohne Übertragung von Wärme oder Masse zwischen dem System und seiner Umgebung. Ein adiabatischer Prozess überträgt Energie nur als Arbeit an die Umgebung.

Pictet hat einen anderen Weg eingeschlagen und den Joule-Thompson-Effekt verwendet. Dieser Effekt beschreibt die Temperaturänderung eines Gases oder einer Flüssigkeit, wenn es durch ein Ventil oder einen porösen Stopfen gedrückt wird, während es isoliert bleibt, damit keine Wärme mit der Umgebung ausgetauscht wird.

Beide Forscher konnten Sauerstoff bis zu dem Punkt abkühlen, an dem er bei einer Temperatur von 90 Kelvin flüssig wurde EN. 0 Kelvin ist der absolute Nullpunkt und 273 Kelvin ist ungefähr der Gefrierpunkt von Wasser auf Meereshöhe. Bald nach dem Durchbruchandere Forscher begannen, ähnliche Techniken zu verwenden, um mit superkalten Temperaturen zu experimentieren.

In den folgenden Jahren gelang es den Wissenschaftlern, Helium 4,2 K, Stickstoff bei 77 K und Wasserstoff 20 K zu verflüssigen. 1911 war die Supraleitung - die Eigenschaft einiger unterkühlter Metalle, jeglichen Widerstand gegen Elektrizität zu verlieren -In den 1920er und 1930er Jahren konnten Forscher Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt erreichen. In den 1960er Jahren konnten Laboratorien Temperaturen von 0,000001 K erzeugen, ein Millionstel Grad Kelvin über dem absoluten Nullpunkt.

Haben wir jemals etwas bei absolutem Nullpunkt eingefroren? Nein, dies ist theoretisch unmöglich. Laut Thermodynamik können wir uns dem absoluten Nullpunkt sehr nahe nähern, ihn aber nicht erreichen. Kryokühler, Verdünnungskühlschränke und adiabatische Kernentmagnetisierung sowie Laserkühlunghaben es Forschern ermöglicht, Temperaturen von bis zu einem Milliardstel Kelvin zu erreichen.

Cryogenics hat uns geholfen, die Supraleitung zu entdecken

Kryotechnik nahm zu Beginn des 20. Jahrhunderts Dampf auf, als Forscher begannen, Metalle zu unterkühlen und die Supraleitung entdeckten. Supraleitung ist die Verringerung des elektrischen Widerstands in verschiedenen Festkörpern, wenn diese unter eine bestimmte Temperatur abgekühlt werden. 1911 vom niederländischen Physiker Heike entdecktKamerlingh Onnes, die Wissenschaftler fanden heraus, dass der spezifische elektrische Widerstand eines Quecksilberdrahtes plötzlich verschwindet, wenn er unter eine Temperatur von etwa 4 Kelvin abgekühlt wird.

Supraleitende Materialien haben den Grundstein für die Entwicklung medizinischer Magnetbildgebungsgeräte, magnetischer Energiespeichersysteme, Motoren, Generatoren, Transformatoren, Computerteile und sehr empfindlicher Geräte zur Messung von Magnetfeldern und Spannungen oder Strömen gelegt. Onnes wurde später ausgezeichnetein Nobelpreis für seine Entdeckung.

Kryotechnik wird verwendet, um unser Verständnis der Organismen auf diesem Planeten zu bewahren und zu verbessern.

Kryobiologie ist ein Zweig der Biologie, der die Auswirkungen niedriger Temperaturen auf Lebewesen untersucht. Forscher in der Kryobiologie haben die Wissenschaft der Kryotechnik genutzt, um Proteine, Zellen, Gewebe, Organe und ganze Organismen zu untersuchen. Die Kälteanpassung von Mikroorganismen, Pflanzen, Tiere und Wirbeltiere ist ein gemeinsames Untersuchungsgebiet.

In der Medizin untersuchen Wissenschaftler auch die Kryokonservierung von Zellgeweben und Embryonen, die bei der In-vitro-Fertilisation, Lyophilisierung auch bekannt als Gefriertrocknung von Arzneimitteln und der Erhaltung von Organen verwendet werden. Einer der aufregendsten Bereiche der Kryobiologie ist die KryochirurgieBei dieser Technik Ein Niedertemperatur-Skalpell oder eine Sonde wird verwendet, um ungesundes Gewebe einzufrieren. Die toten Zellen werden dann durch normale körperliche Prozesse entfernt, was zu weniger Blutungen führt.

Die Konservierung von Lebensmitteln und der Transport von Gasen sind die häufigsten Anwendungen der Kryotechnik.

Große Mengen von Produkten, die eine große Strecke zurücklegen müssen, werden üblicherweise mit kryogenen Techniken konserviert. Lebensmittel werden schnell mit flüssigem Stickstoff besprüht, bevor sich Eiskristalle bilden und die Textur und den Nährwert der Lebensmittel zerstören können. Dies hilft, die Lebensmittel frischer zu haltenDas kryogene Einfrieren wird auch häufig in der Lebensmittelindustrie oder beim Transport von Lebensmitteln eingesetzt.

Die wahrscheinlich häufigste kommerzielle Verwendung der kryogenen Gasverflüssigung ist die Lagerung und Transport aus verflüssigtem Erdgas. Dieses Gas ist ein Gemisch aus leicht brennbaren Gasen, einschließlich Methan, Ethan und anderen. Das Erdgas wird bei 110 K verflüssigt, wodurch es sich auf 1/600 seines Volumens zusammenzieht und kompakt genug wirdfür den wirtschaftlichen Transport in speziell isolierten Tankschiffen.

Kryotechnik spielt eine wesentliche Rolle in der Luft- und Raumfahrttechnik

Weltraumkryogenik ist die Anwendung der Kryogenik im Weltraum. Ein Großteil der Anwendungen der Wissenschaft fällt in eines von zwei Lagern; Unterstützung weltraumwissenschaftlicher Missionen und Unterstützung der Weltraumtransportinfrastruktur.

Experimente im Weltraum, bei denen Infrarot-, Gamma- und Röntgendetektoren verwendet werden, arbeiten in der Regel bei kryogenen Temperaturen. Durch Abkühlen dieser Detektoren auf diese niedrigen Temperaturen können Astronomen ihre Empfindlichkeit erhöhen. Es ist üblich, Kryotechnik zu verwenden, um die Temperatur zu verringern. Wärmeabgabe eines Teleskops damit sehr schwache Objekte gesehen werden können. Kryotechnik wird auch häufig verwendet, um Proben aus Experimenten der Internationalen Raumstation und anderen aus dem Weltraum entnommenen Materialien aufzubewahren.

Schließlich werden üblicherweise flüssiger Wasserstoff, flüssiger Sauerstoff und flüssiges Methan als Treibmittel für Raketen verwendet. Das Arbeitspferd Space Shuttle der NASA verwendete kryogenes Wasserstoff / Sauerstoff-Treibmittel, um sich selbst in die Umlaufbahn zu bringen. Diese Treibmittel werden verwendet, weil sie Ingenieuren einen sehr hohen spezifischen Impuls bietenoder Schub pro verbrauchter Kraftstoffmasse .

Könnte Kryonik Sie wieder zum Leben erwecken?

Es ist eine wackelige Wissenschaft Zumindest. Kryonik ist die Technik, menschliche Körper bei extrem niedrigen Temperaturen zu lagern, in der Hoffnung, sie eines Tages wiederzubeleben und alles zu heilen, was sie überhaupt getötet hat. Das Konzept hat Tausende von Menschen auf der ganzen Welt angezogenUmstritten, gelinde gesagt, diese Organisationen sammeln Ihren Körper unmittelbar nach Ihrer Todesstrafe und bewahren ihn in einem Kryotank auf, mit der Hoffnung, dass es eine Zeit geben wird, in der Technologie Sie wieder zum Leben erwecken kann.

Es wurde berichtet, dass Menschen in einen gefrorenen See gefallen sind, der bis zu einer Stunde in das kalte Wasser getaucht war, bevor er gerettet wurde und nach der Wiederbelebung überlebte. Das eisige Wasser konnte ihre Körperfunktionen verlangsamen und ihren Körper in eine Art verwandelnvon suspendierten Animationen, die ihren Stoffwechsel und ihre Gehirnfunktion bis zu einem Punkt verlangsamen, an dem sie fast keinen Sauerstoff mehr benötigten. Riesige Befürworter der Kryonik glauben, dass in Zukunft etwas Ähnliches möglich sein könnte. Im Moment können Sie für etwa 150.000 US-Dollar unterschreiben, Ihren Körper zu habenin einer kryonischen Einrichtung gelagert. Was macht Wissenschaft sagen ? Wir haben noch keine konkreten Ergebnisse, daher ist es wahrscheinlich besser, wenn Ihr Geld anderen Zwecken dient.

Die Technologie steckt noch in den Kinderschuhen. Darüber hinaus haben Wissenschaftler noch nie jemanden erfolgreich aus ihrem "kryonischen Winterschlaf" wiederbelebt. Selbst das einfache Aufwärmen eines Körpers nach dem kryogenen Einfrieren birgt das Risiko, die Körperzellen dauerhaft zu schädigen.

Wie Sie heute erfahren haben, spielt die Kryotechnik eine wichtige Rolle in vielen wichtigen Prozessen und Forschungen. Erwarten Sie nur nicht, dass Sie dadurch bald unsterblich werden.