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Criogénesis

El nitrógeno es un líquido a -195,8 °C (77,3 K).

En física , la criogenia es la producción y el comportamiento de materiales a temperaturas muy bajas .

El 13.º Congreso Internacional de Refrigeración del Instituto Internacional de Refrigeración (IIR) (celebrado en Washington DC en 1971) aprobó una definición universal de "criogenia" y "criogénico" al aceptar un umbral de 120 K (−153 °C) para distinguir estos términos de la refrigeración convencional. [1] [2] [3] [4] Esta es una línea divisoria lógica, ya que los puntos de ebullición normales de los llamados gases permanentes (como helio , hidrógeno , neón , nitrógeno , oxígeno y aire normal ) se encuentran por debajo de 120 K, mientras que los refrigerantes freón , los hidrocarburos y otros refrigerantes comunes tienen puntos de ebullición superiores a 120 K. [5] [6]

El descubrimiento de materiales superconductores con temperaturas críticas significativamente superiores al punto de ebullición del nitrógeno ha despertado un nuevo interés en los métodos fiables y de bajo coste para producir refrigeración criogénica a alta temperatura. El término "criogénico a alta temperatura" describe temperaturas que van desde temperaturas superiores al punto de ebullición del nitrógeno líquido, -195,79 °C (77,36 K; -320,42 °F), hasta -50 °C (223 K; -58 °F). [7] El descubrimiento de las propiedades superconductoras se atribuye por primera vez a Heike Kamerlingh Onnes el 10 de julio de 1908. El descubrimiento se produjo después de la capacidad de alcanzar una temperatura de 2 K. Estas primeras propiedades superconductoras se observaron en el mercurio a una temperatura de 4,2 K. [8]

Los criogenistas utilizan la escala de temperatura Kelvin o Rankine , ambas miden desde el cero absoluto , en lugar de escalas más habituales como Celsius , que mide desde el punto de congelación del agua al nivel del mar [9] [10] o Fahrenheit , que mide desde el punto de congelación de una solución de salmuera particular al nivel del mar. [11] [12]

Definiciones y distinciones

Criogénesis
Las ramas de la ingeniería que implican el estudio de temperaturas muy bajas (temperaturas ultrabaja, es decir, inferiores a 123 K), cómo producirlas y cómo se comportan los materiales a esas temperaturas.
Criobiología
Rama de la biología que estudia los efectos de las bajas temperaturas en los organismos (generalmente con el fin de lograr la criopreservación ). Otras aplicaciones incluyen la liofilización (secado por congelación) de componentes farmacéuticos [13] y medicamentos.
Crioconservación de recursos genéticos animales
Conservación de material genético con la intención de conservar una raza. La conservación de material genético no se limita a los no humanos. Muchos servicios proporcionan almacenamiento genético o la preservación de células madre al nacer. Pueden utilizarse para estudiar la generación de líneas celulares o para la terapia con células madre . [14]
Criocirugía
La rama de la cirugía que aplica temperaturas criogénicas para destruir y matar tejido, por ejemplo, células cancerosas. Comúnmente conocida como crioablación . [15]
Crioelectrónica
Estudio de los fenómenos electrónicos a temperaturas criogénicas. Entre los ejemplos se incluyen la superconductividad y los saltos de rango variable .
Criónica
Criopreservación de seres humanos y animales con la intención de revivirlos en el futuro. En la cultura popular y en la prensa, a veces se utiliza erróneamente el término "criogenia" para referirse a "criónica" . [16]

Etimología

La palabra criogenia proviene del griego κρύος (cryos) – "frío" + γενής (genis) – "generar".

Fluidos criogénicos

Este es un diagrama de un telescopio espacial infrarrojo que necesita un espejo frío e instrumentos. Uno de los instrumentos necesita ser aún más frío y tiene un refrigerador criogénico. El instrumento está en la región 1 y su refrigerador criogénico está en la región 3, en una región más cálida de la nave espacial (véase MIRI (Mid-Infrared Instrument) o Telescopio Espacial James Webb ).

Fluidos criogénicos con su punto de ebullición en Kelvin [17] y grados Celsius.

Aplicaciones industriales

Un recipiente dewar de tamaño mediano se llena con nitrógeno líquido mediante un tanque de almacenamiento criogénico más grande.

Los gases licuados , como el nitrógeno líquido y el helio líquido , se utilizan en muchas aplicaciones criogénicas. El nitrógeno líquido es el elemento más utilizado en criogenia y se puede adquirir legalmente en todo el mundo. El helio líquido también se utiliza habitualmente y permite alcanzar las temperaturas más bajas posibles .

Estos líquidos pueden almacenarse en frascos Dewar , que son recipientes de doble pared con un alto vacío entre las paredes para reducir la transferencia de calor al líquido. Los frascos Dewar de laboratorio típicos son esféricos, están hechos de vidrio y están protegidos en un recipiente exterior de metal. Los frascos Dewar para líquidos extremadamente fríos, como el helio líquido, tienen otro recipiente de doble pared lleno de nitrógeno líquido. Los frascos Dewar reciben su nombre de su inventor, James Dewar , el hombre que licuó el hidrógeno por primera vez . Los termos son frascos de vacío más pequeños colocados en una carcasa protectora.

Las etiquetas de código de barras criogénicas se utilizan para marcar los frascos Dewar que contienen estos líquidos y no se congelan hasta -195 grados Celsius. [18]

Las bombas de transferencia criogénica son las bombas que se utilizan en los muelles de GNL para transferir gas natural licuado desde los transportadores de GNL a los tanques de almacenamiento de GNL , al igual que las válvulas criogénicas.

Procesamiento criogénico

El campo de la criogenia avanzó durante la Segunda Guerra Mundial cuando los científicos descubrieron que los metales congelados a bajas temperaturas mostraban más resistencia al desgaste. Basándose en esta teoría del endurecimiento criogénico , la industria de procesamiento criogénico comercial fue fundada en 1966 por Bill y Ed Busch. Con experiencia en la industria del tratamiento térmico , los hermanos Busch fundaron una empresa en Detroit llamada CryoTech en 1966. [19] Busch experimentó originalmente con la posibilidad de aumentar la vida útil de las herramientas de metal a entre el 200% y el 400% de la esperanza de vida original utilizando templado criogénico en lugar de tratamiento térmico . [ cita requerida ] Esto evolucionó a fines de la década de 1990 hacia el tratamiento de otras piezas.

Los criógenos, como el nitrógeno líquido , se utilizan también para aplicaciones especiales de refrigeración y congelación. Algunas reacciones químicas, como las que se utilizan para producir los ingredientes activos de los populares medicamentos con estatinas , deben producirse a bajas temperaturas de aproximadamente -100 °C (-148 °F). Se utilizan reactores químicos criogénicos especiales para eliminar el calor de la reacción y proporcionar un entorno de baja temperatura. La congelación de alimentos y productos biotecnológicos, como las vacunas , requiere nitrógeno en sistemas de congelación por inmersión o congelación rápida. Ciertos materiales blandos o elásticos se vuelven duros y quebradizos a temperaturas muy bajas, lo que hace que la molienda criogénica ( criomilling ) sea una opción para algunos materiales que no se pueden moler fácilmente a temperaturas más altas.

El procesamiento criogénico no sustituye al tratamiento térmico, sino que es una extensión del ciclo de calentamiento-enfriado-revenido. Normalmente, cuando se enfría un elemento, la temperatura final es la ambiente. La única razón para esto es que la mayoría de los tratadores térmicos no tienen equipo de enfriamiento. No hay nada metalúrgicamente significativo en la temperatura ambiente. El proceso criogénico continúa esta acción desde la temperatura ambiente hasta -320 °F (140 °R; 78 K; -196 °C). En la mayoría de los casos, el ciclo criogénico es seguido por un procedimiento de templado térmico. Como todas las aleaciones no tienen los mismos componentes químicos, el procedimiento de templado varía según la composición química del material, el historial térmico y/o la aplicación de servicio particular de una herramienta.

El proceso completo tarda entre 3 y 4 días.

Combustibles

Otro uso de la criogenia es el de los combustibles criogénicos para cohetes, siendo el hidrógeno líquido el ejemplo más utilizado. El oxígeno líquido (LOX) se utiliza aún más, pero como oxidante , no como combustible. El transbordador espacial de la NASA, el caballo de batalla , utilizaba hidrógeno/oxígeno criogénico como su principal medio para entrar en órbita . El LOX también se utiliza ampliamente con el queroseno RP-1 , un hidrocarburo no criogénico, como en los cohetes construidos para el programa espacial soviético por Sergei Korolev .

El fabricante de aviones ruso Tupolev desarrolló una versión de su popular diseño Tu-154 con un sistema de combustible criogénico, conocido como Tu-155 . El avión utiliza un combustible conocido como gas natural licuado o GNL y realizó su primer vuelo en 1989. [20]

Otras aplicaciones

Los instrumentos astronómicos del Very Large Telescope están equipados con sistemas de refrigeración de flujo continuo. [21]

Algunas aplicaciones de la criogenia:

Camión de reparto de gases criogénicos en un supermercado, Ypsilanti, Michigan

Producción

El enfriamiento criogénico de dispositivos y materiales se logra generalmente mediante el uso de nitrógeno líquido , helio líquido o un refrigerador criogénico mecánico (que utiliza líneas de helio a alta presión). Los refrigeradores criogénicos Gifford-McMahon , los refrigeradores criogénicos de tubo de pulso y los refrigeradores criogénicos Stirling se utilizan ampliamente y la selección se basa en la temperatura base requerida y la capacidad de enfriamiento. El desarrollo más reciente en criogenia es el uso de imanes como regeneradores y refrigeradores. Estos dispositivos funcionan según el principio conocido como efecto magnetocalórico .

Detectores

Existen varios detectores criogénicos que se utilizan para detectar partículas.

Para la medición de temperaturas criogénicas de hasta 30 K, se utilizan sensores Pt100 y un detector de temperatura de resistencia (RTD) . Para temperaturas inferiores a 30 K, es necesario utilizar un diodo de silicio para mayor precisión.

Véase también

Referencias

  1. ^ Diccionario internacional de refrigeración, http://dictionary.iifiir.org/search.php, archivado el 1 de octubre de 2019 en Wayback Machine .
  2. ^ Terminología ASHRAE, https://www.ashrae.org/technical-resources/free-resources/ashrae-terminology.
  3. ^ "La criogenia se define generalmente como la ciencia y la tecnología que se ocupa de temperaturas inferiores a unos 120 K [4, 5], aunque esta revisión no se adhiere a una definición estricta de 120 K". KD Timmerhaus, R. Reed. Ingeniería criogénica: cincuenta años de progreso . Springer Science+Business Media LLC (2007), capítulo: 1.2, El comienzo de la criogenia, pág. 7.
  4. ^ "Acerca de la criogenia". En términos de la escala Kelvin, la región criogénica se considera a menudo como la que se encuentra por debajo de aproximadamente 120 K (−153 C).
  5. ^ "DICLORODIFLUOROMETANO en Pubchem".
  6. ^ "PROPANO en Pubchem".
  7. ^ JM Nash, 1991, "Dispositivos de expansión de vórtice para criogenia de alta temperatura", Actas de la 26.ª Conferencia Intersocietaria sobre ingeniería de conversión de energía, vol. 4, págs. 521-525.
  8. ^ Radebaugh, R. (2007), Timmerhaus, Klaus D.; Reed, Richard P. (eds.), "Resumen histórico de la actividad criogénica anterior a 1950", Cryogenic Engineering , International Cryogenics Monograph Series, Nueva York, Nueva York: Springer, págs. 3–27, Bibcode :2007cren.book....3R, doi : 10.1007/0-387-46896-x_1 , ISBN 978-0-387-46896-9.
  9. ^ Celsius, Anders (1742) "Observationer om twänne beständiga grader på en termómetro" (Observaciones sobre dos grados estables en un termómetro), Kungliga Svenska Vetenskapsakademiens Handlingar (Actas de la Real Academia Sueca de Ciencias), 3 : 171–180 y Fig. 1.
  10. ^ Don Rittner ; Ronald A. Bailey (2005): Enciclopedia de química. Datos archivados , Manhattan , Nueva York, pág. 43.
  11. ^ Escala de temperatura Fahrenheit, Encyclopædia Britannica Online. 25 de septiembre de 2015.
  12. ^ "Fahrenheit: hechos, historia y fórmulas de conversión". Live Science . Consultado el 9 de febrero de 2018 .
  13. ^ Evans, Nicole. "¿Qué es la criobiología?". www.societyforcryobiology.org . Consultado el 27 de noviembre de 2023 .
  14. ^ Hunt, Charles (3 de abril de 2011). "Crioconservación de células madre humanas para aplicaciones clínicas: una revisión". Medicina transfusional y hemoterapia . 38 (2): 107–123. doi :10.1159/000326623. PMC 3088734 . PMID  21566712. 
  15. ^ "Criocirugía para tratar el cáncer". NCI . 21 de junio de 2021 . Consultado el 27 de noviembre de 2023 .
  16. ^ "La criónica NO es lo mismo que la criogenia". Cryogenic Society of America . Archivado desde el original el 2 de diciembre de 2018. Consultado el 5 de marzo de 2013 .
  17. ^ Randall Barron, SISTEMAS CRIOGÉNICOS, McGraw-Hill Book Company .
  18. ^ Thermal, Timmy. "Cryogenic Labels". MidcomData . Consultado el 11 de agosto de 2014 .
  19. ^ Gantz, Carroll (2015). Refrigeración: una historia. Jefferson, Carolina del Norte: McFarland & Company, Inc. p. 227. ISBN 978-0-7864-7687-9.
  20. ^ "Tu-155/Tu-156". www.globalsecurity.org . Consultado el 27 de noviembre de 2023 .
  21. ^ "ESO firma un acuerdo de licencia de transferencia de tecnología para el sistema de refrigeración" . Consultado el 11 de junio de 2015 .
  22. ^ "Almacenamiento de vacunas y manipulación segura con hielo seco de la vacuna contra la COVID-19 de Pfizer-BioNTech". Pfizer-BioNTech. Archivado desde el original el 24 de enero de 2021. Consultado el 17 de diciembre de 2020 .

Lectura adicional