Estudio de la producción y comportamiento de materiales a muy bajas temperaturas.
El nitrógeno es un líquido a -195,8 °C (77,3 K)Este es un diagrama de un telescopio espacial infrarrojo, que necesita un espejo frío e instrumentos. Un instrumento necesita estar aún más frío y tiene un crioenfriador. El instrumento está en la región 1 y su crioenfriador está en la región 3 en una región más cálida de la nave espacial (ver MIRI (Instrumento de infrarrojo medio) o Telescopio espacial James Webb ).Un tanque de almacenamiento criogénico más grande llena un Dewar de tamaño mediano con nitrógeno líquido.
En física , la criogenia es la producción y 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) respaldó una definición universal de "criogénico" 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 debajo 120 K, mientras que los refrigerantes freón , 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 métodos confiables y de bajo costo para producir refrigeración criogénica a alta temperatura. El término "criogénico de alta temperatura" describe temperaturas que van desde por encima del 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 mercurio a una temperatura de 4,2 K. [8]
Los criogénicos utilizan la escala de temperatura Kelvin o Rankine , que 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
criogénica
Las ramas de la ingeniería que implican el estudio de temperaturas muy bajas (temperatura ultrabaja, es decir, por debajo de 123 K), cómo producirlas y cómo se comportan los materiales a esas temperaturas.
La rama de la biología que implica el estudio de los efectos de las bajas temperaturas en los organismos (la mayoría de las veces con el fin de lograr la criopreservación ). Otras aplicaciones incluyen la liofilización (liofilización) de componentes farmacéuticos [13] y medicamentos.
La conservación de material genético con la intención de conservar una raza. La conservación del material genético no se limita a los no humanos. Muchos servicios brindan almacenamiento genético o la preservación de células madre al nacer. Pueden usarse para estudiar la generación de líneas celulares o para terapia con células madre . [14]
La rama de la cirugía que aplica temperaturas criogénicas para destruir y matar tejido, por ejemplo, células cancerosas. Comúnmente conocida como crioablación. [15]
Criopreservar humanos y animales con la intención de un futuro resurgimiento. "Criogenia" a veces se utiliza erróneamente para referirse a "criónica" en la cultura popular y en la prensa. [dieciséis]
Etimología
La palabra criogenia proviene del griego κρύος (cryos) – "frío" + γενής (genis) – "generar".
fluidos criogénicos
Fluidos criogénicos con su punto de ebullición en Kelvin [17] y grados Celsius.
Estos líquidos se pueden almacenar en matraces Dewar , que son recipientes de doble pared con un alto vacío entre las paredes para reducir la transferencia de calor al líquido. Los matraces Dewar de laboratorio típicos son esféricos, están hechos de vidrio y están protegidos en un recipiente exterior de metal. Los matraces Dewar para líquidos extremadamente fríos, como el helio líquido, tienen otro recipiente de doble pared lleno de nitrógeno líquido. Los matraces Dewar llevan el nombre de su inventor, James Dewar , el hombre que licuó por primera vez el hidrógeno . Los termos son termos más pequeños encerrados en una carcasa protectora.
Las etiquetas de códigos de barras criogénicas se utilizan para marcar los matraces Dewar que contienen estos líquidos y no se congelan hasta -195 grados Celsius. [18]
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 comercial de procesamiento criogénico 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 originalmente experimentó con la posibilidad de aumentar la vida útil de las herramientas metálicas entre un 200% y un 400% de la vida original. expectativa utilizando templado criogénico en lugar de tratamiento térmico. [ cita necesaria ] Esto evolucionó a finales de la década de 1990 hacia el tratamiento de otras partes.
Los criógenos, como el nitrógeno líquido , se utilizan además para aplicaciones especiales de refrigeración y congelación. Algunas reacciones químicas, como las utilizadas para producir los ingredientes activos de las populares estatinas , deben ocurrir 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 ambiente de baja temperatura. La congelación de alimentos y productos biotecnológicos, como las vacunas , requiere nitrógeno en sistemas de congelación rápida o congelación por inmersión. Ciertos materiales blandos o elásticos se vuelven duros y quebradizos a temperaturas muy bajas, lo que hace que la molienda criogénica ( criomolienda ) 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 más bien una extensión del ciclo de calentamiento-templado-revenido. Normalmente, cuando se enfría un artículo, la temperatura final es la ambiente. La única razón de esto es que la mayoría de los tratadores térmicos no tienen equipo de enfriamiento. No hay nada metalúrgicamente significativo acerca de la temperatura ambiente. El proceso criogénico continúa esta acción desde temperatura ambiente hasta -320 °F (140 °R; 78 K; -196 °C). En la mayoría de los casos, al ciclo criogénico le sigue un procedimiento de templado térmico. Como no todas las aleaciones 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 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 denominado 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:
La resonancia magnética nuclear (RMN) es uno de los métodos más comunes para determinar las propiedades físicas y químicas de los átomos mediante la detección de la radiofrecuencia absorbida y la posterior relajación de los núcleos en un campo magnético. Esta es una de las técnicas de caracterización más utilizadas y tiene aplicaciones en numerosos campos. Los fuertes campos magnéticos se generan principalmente mediante electroimanes sobreenfriados, aunque hay espectrómetros que no requieren criógenos. En los solenoides superconductores tradicionales, se utiliza helio líquido para enfriar las bobinas internas porque tiene un punto de ebullición de alrededor de 4 K a presión ambiente. Para el cableado de las bobinas se pueden utilizar superconductores metálicos económicos. Los llamados compuestos superconductores de alta temperatura pueden convertirse en superconductores utilizando nitrógeno líquido, que hierve a unos 77 K.
La resonancia magnética (MRI) es una aplicación compleja de la RMN en la que la geometría de las resonancias se deconvoluciona y se utiliza para obtener imágenes de objetos detectando la relajación de los protones que han sido perturbados por un pulso de radiofrecuencia en el fuerte campo magnético. Esto se usa más comúnmente en aplicaciones de salud.
En las grandes ciudades, es difícil transmitir energía por cables aéreos, por lo que se utilizan cables subterráneos. Pero los cables subterráneos se calientan y la resistencia del cable aumenta, lo que provoca un desperdicio de energía. Los superconductores podrían usarse para aumentar el rendimiento de energía, aunque requerirían líquidos criogénicos como nitrógeno o helio para enfriar cables que contienen aleaciones especiales para aumentar la transmisión de energía. Se han realizado varios estudios de viabilidad y el campo es objeto de un acuerdo dentro de la Agencia Internacional de Energía .
Camión de reparto de gases criogénicos en un supermercado, Ypsilanti, Michigan
Los gases criogénicos se utilizan en el transporte y almacenamiento de grandes masas de alimentos congelados . Cuando se deben transportar grandes cantidades de alimentos a regiones como zonas de guerra, regiones afectadas por terremotos, etc., deben almacenarse durante mucho tiempo, por lo que se utiliza la congelación criogénica de alimentos. La congelación criogénica de alimentos también es útil para las industrias de procesamiento de alimentos a gran escala.
Ciertos grupos sanguíneos raros se almacenan a bajas temperaturas, como -165 °C, en los bancos de sangre.
Se ha incorporado tecnología criogénica que utiliza nitrógeno líquido y CO 2 en los sistemas de efecto de discoteca para crear un efecto escalofriante y una niebla blanca que se puede iluminar con luces de colores.
El enfriamiento criogénico se utiliza para enfriar la punta de la herramienta en el momento del mecanizado en el proceso de fabricación . Aumenta la vida útil de la herramienta. El oxígeno se utiliza para realizar varias funciones importantes en el proceso de fabricación del acero.
Muchos cohetes y módulos de aterrizaje lunares utilizan gases criogénicos como propulsores. Estos incluyen oxígeno líquido, hidrógeno líquido y metano líquido.
Al congelar el neumático de un automóvil o camión en nitrógeno líquido, el caucho se vuelve quebradizo y puede triturarse en pequeñas partículas. Estas partículas se pueden volver a utilizar para otros artículos.
La investigación experimental sobre determinados fenómenos físicos, como la espintrónica y las propiedades del magnetotransporte, requiere temperaturas criogénicas para que se puedan observar los efectos.
El enfriamiento criogénico de dispositivos y materiales generalmente se logra mediante el uso de nitrógeno líquido , helio líquido o un crioenfriador mecánico (que utiliza líneas de helio de alta presión). Los crioenfriadores Gifford-McMahon, los crioenfriadores de tubo de pulso y los crioenfriadores Stirling se utilizan ampliamente y se pueden seleccionar según 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 .
^ Diccionario internacional de refrigeración, http://dictionary.iifiir.org/search.php Archivado el 1 de octubre de 2019 en Wayback Machine.
^ Terminología de ASHRAE, https://www.ashrae.org/technical-resources/free-resources/ashrae-terminology
^ "La criogenia generalmente se define como la ciencia y la tecnología que se ocupan de temperaturas inferiores a aproximadamente 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, p. 7
^ "Acerca de la criogenia". En términos de la escala Kelvin, a menudo se considera que la región criogénica es la que se encuentra por debajo de aproximadamente 120 K (-153 C).
^ "DICLORODIFLUOROMETANO en Pubchem".
^ "PROPANO en Pubchem".
^ JM Nash, 1991, "Dispositivos de expansión de vórtice para criogenia de alta temperatura", Proc. de la 26ª Conferencia Intersociedad de Ingeniería de Conversión de Energía, vol. 4, págs. 521–525.
^ Radebaugh, R. (2007), Timmerhaus, Klaus D.; Reed, Richard P. (eds.), "Resumen histórico de la actividad criogénica antes de 1950", Ingeniería criogénica , Serie internacional de monografías sobre criogenia, Nueva York, NY: Springer, págs. 3–27, Bibcode : 2007cren.book... .3R, doi : 10.1007/0-387-46896-x_1 , ISBN978-0-387-46896-9
^ 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.
^ Escala de temperatura Fahrenheit, Encyclopædia Britannica Online. 25 de septiembre de 2015
^ "Fahrenheit: hechos, historia y fórmulas de conversión". Ciencia Viva . Consultado el 9 de febrero de 2018 .
^ Evans, Nicole. "¿Qué es la criobiología?". www.societyforcryobiology.org . Consultado el 27 de noviembre de 2023 .
^ 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.
^ "Criocirugía para tratar el cáncer". NCI . 21 de junio de 2021 . Consultado el 27 de noviembre de 2023 .
^ "La criónica NO es lo mismo que la criogénica". Sociedad Criogénica de América . Archivado desde el original el 2 de diciembre de 2018 . Consultado el 5 de marzo de 2013 .
^ Térmica, Timmy. "Etiquetas criogénicas". MidcomData . Consultado el 11 de agosto de 2014 .
^ Gantz, Carroll (2015). Refrigeración: una historia. Jefferson, Carolina del Norte: McFarland & Company, Inc. p. 227.ISBN978-0-7864-7687-9.
^ "Tu-155/Tu-156". www.globalsecurity.org . Consultado el 27 de noviembre de 2023 .
^ "ESO firma acuerdo de licencia de transferencia de tecnología para sistema de refrigeración" . Consultado el 11 de junio de 2015 .
^ "Almacenamiento de vacunas Pfizer-BioNTech COVID-19 y manipulación segura del hielo seco". Pfizer-BioNTech. Archivado desde el original el 24 de enero de 2021 . Consultado el 17 de diciembre de 2020 .
Otras lecturas
Haselden, GG (1971), Fundamentos criogénicos , Academic Press, Nueva York, ISBN 0-12-330550-0 .
