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.
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.
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]
La rama de la cirugía que aplica temperaturas criogénicas para destruir y matar tejido, por ejemplo, células cancerosas. Comúnmente conocida como crioablación . [15]
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.
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]
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 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:
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. Se trata de una de las técnicas de caracterización más utilizadas y tiene aplicaciones en numerosos campos. Principalmente, los fuertes campos magnéticos se generan mediante electroimanes superenfriados, aunque existen 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. Se pueden utilizar superconductores metálicos económicos para el cableado de las bobinas. Los llamados compuestos superconductores de alta temperatura se pueden convertir en superconductores con el uso de nitrógeno líquido, que hierve a alrededor de 77 K.
La resonancia magnética (RM) es una aplicación compleja de la RMN en la que se deconvoluciona la geometría de las resonancias y se utiliza para obtener imágenes de objetos mediante la detección de la relajación de protones que han sido perturbados por un pulso de radiofrecuencia en el campo magnético intenso. Esta técnica se utiliza con mayor frecuencia en aplicaciones sanitarias.
La microscopía electrónica criogénica (crioEM) es un método popular en biología estructural para dilucidar las estructuras de proteínas , células y otros sistemas biológicos. Las muestras se congelan por inmersión en un criógeno como etano líquido enfriado con nitrógeno líquido y luego se mantienen a temperatura de nitrógeno líquido mientras se insertan en un microscopio electrónico para obtener imágenes. Los microscopios electrónicos también se enfrían con nitrógeno líquido.
En las grandes ciudades, resulta difícil transmitir energía mediante cables aéreos, por lo que se utilizan cables subterráneos. Pero estos cables se calientan y la resistencia del cable aumenta, lo que provoca un desperdicio de energía. Se podrían utilizar superconductores para aumentar el rendimiento energético, aunque se requerirían líquidos criogénicos como nitrógeno o helio para enfriar cables que contengan aleaciones especiales y así aumentar la transmisión de energía. Se han realizado varios estudios de viabilidad y el campo es objeto de un acuerdo en el seno de la Agencia Internacional de la Energía .
Camión de reparto de gases criogénicos en un supermercado de Ypsilanti, Michigan
Los gases criogénicos se utilizan en el transporte y almacenamiento de grandes cantidades 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.
Muchas cámaras infrarrojas ( infrarrojas de visión frontal ) requieren que sus detectores estén enfriados criogénicamente.
Ciertos grupos sanguíneos raros se almacenan a bajas temperaturas, como -165 °C, en los bancos de sangre.
La tecnología criogénica que utiliza nitrógeno líquido y CO2 se ha incorporado a los sistemas de efectos de discotecas 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 lunar utilizan gases criogénicos como propulsores, entre ellos oxígeno líquido, hidrógeno líquido y metano líquido.
Al congelar un neumático de automóvil o camión en nitrógeno líquido, el caucho se vuelve quebradizo y se puede triturar en pequeñas partículas que se pueden volver a utilizar para otros artículos.
La investigación experimental sobre ciertos fenómenos físicos, como la espintrónica y las propiedades del magnetotransporte, requiere temperaturas criogénicas para que los efectos sean observables.
^ "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.
^ "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).
^ "DICLORODIFLUOROMETANO en Pubchem".
^ "PROPANO en Pubchem".
^ 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.
^ 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 , 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". Live Science . 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 criogenia". Cryogenic Society of America . Archivado desde el original el 2 de diciembre de 2018. Consultado el 5 de marzo de 2013 .
^ Thermal, Timmy. "Cryogenic Labels". 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 un acuerdo de licencia de transferencia de tecnología para el sistema de refrigeración" . Consultado el 11 de junio de 2015 .
^ "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
Haselden, GG (1971), Fundamentos criogénicos , Academic Press, Nueva York, ISBN 0-12-330550-0 .
