Kriogenika

Nie mylić z: krionika.

Kriogenika (gr. krios „zimno”, genos „ród”) – dział techniki wytwarzający, mierzący i utrzymujący skrajnie niskie temperatury^[1]; nie są one zdefiniowane ściśle, lecz czasem za granicę przyjmuje się −150 °C (123 K)^[2]. Kriogenika jest blisko związana z kriofizyką, która bada właściwości ciał w tych temperaturach, np. charakterystyczne dla tego reżimu zjawiska jak nadprzewodnictwo i nadciekłość^[3].

Kriogenika ma poważny udział w takich dziedzinach jak: badania przestrzeni kosmicznej, biologia i chirurgia, w przemyśle spożywczym, metalurgicznym, chemicznym i urządzeniach nadprzewodzących. Zastosowanie elementów nadprzewodzących w urządzeniach energetycznych prowadzi do znacznego zmniejszenia kosztów i masy tych urządzeń oraz zwiększenia sprawności i wydajności przy zachowaniu ich mocy.

Skraplanie gazów

Ważną poddziedziną kriogeniki są technologie uzyskiwania i magazynowania skroplonych gazów. Zastosowanie skroplonych gazów jest najczęściej stosowaną w przemyśle technicznym metodą osiągnięcia bardzo niskich temperatur. W poniższej tabeli przedstawiono najczęściej stosowane w kriogenice ciekłe gazy wraz z ich temperaturą wrzenia w ciśnieniu atmosferycznym^[4].

Ciecze te mogą być wykorzystywane w procesach chłodzenia zarówno poprzez bezpośredni kontakt jak i w obiegach zamkniętych, w kriochłodziarkach (kriokulerach). Kriochłodziarki są wykorzystywane przede wszystkim w zastosowaniach naukowych. Pozwalają na osiągnięcie bardzo niskich temperatur bez konieczności uzupełniania ciekłych gazów. W celu minimalizacji strat cieczy kriogenicznych i mocy chłodniczej wytworzonej przez kriokulery istotnym zagadnieniem jest odizolowanie systemu kriogenicznego od otoczenia. Systemami zapewniającymi odpowiedni poziom izolacji są kriostaty. Kriostaty zbudowane są zwykle z podwójnego naczynia o izolacji próżniowej i ekranów radiacyjnych, najczęściej w formie MLI.

Zastosowanie

Bardzo niskie temperatury wykorzystywane są w szerokim zakresie badań naukowych i rozwiązań technologicznych. Przykłady zastosowania kriogeniki to:

• Energetyka – niektóre ciekłe gazy wykorzystywane są jako źródła energii. Gaz ziemny jest jednym z najpowszechniej stosowanych paliw kopalnych. Skroplenie go powoduje zmniejszenie jego objętości około 600 razy. Zwiększona gęstość LNG ułatwia jego magazynowanie i transport. Transport morski LNG jest najbardziej ekonomiczną formą przesyłania gazu ziemnego na odległość większą od 4000 km^[5]. Innym nośnikiem energii w postaci ciekłego gazu jest LH₂. Wodór jest pozbawionym śladu węglowego nośnikiem energii, gdyż w reakcji spalania (lub utleniania w ogniwie paliwowym) powstaje jedynie obojętna dla środowiska para wodna.
• Nadprzewodnictwo – materiały nadprzewodzące charakteryzują się określoną temperaturą krytyczną, poniżej której wykazują swoje nadprzewodzące właściwości. Większość znanych nadprzewodników tę temperaturę ma w granicach temperatur kriogenicznych. Niezbędne jest więc utrzymanie ich w tej temperaturze poprzez np. kąpiel w ciekłym helu (4,2 K).
• Gazy techniczne – produkcja gazów technicznych jak np. tlen i argon wykorzystuje kriogeniczne technologie separacji powietrza.
• Medycyna – kriogenika znajduje szerokie zastosowanie w medycynie. Bardzo niskie temperatury mogą być wykorzystane zarówno do przechowywania rzadkich grup krwi jak i w kriochirurgii, gdzie wykorzystywane są do zabijania szkodliwych tkanek, jak np. brodawki^[6].
• Przemysł spożywczy – mrożenie żywności poprzez chłodzenie ciekłym azotem zwiększa dynamikę procesu. Wskutek tej metody mrożenia powstają również dużo mniejsze kryształy lodu, co przekłada się na wyższą jakość przechowywanej żywności^[7].

Zobacz też

• MLI
• zero bezwzględne
• krioterapia

Przypisy

Linki zewnętrzne

• Anna Majcher-Fitas, Bliżej Nauki: Cool Physics – czyli o niskich temperaturach słów kilka, kanał FAIS UJ na YouTube, 10 listopada 2020 [dostęp 2023-11-30].