Definition und Verwendung der Kryotechnik

Kryotechnik ist definiert als die wissenschaftliche Untersuchung von Materialien und deren Verhalten bei extrem niedrigen Werten Temperaturen. Das Wort kommt aus dem Griechischen Kryo, was "kalt" bedeutet, und genic, was "produzieren" bedeutet. Der Begriff wird normalerweise im Kontext von Physik, Materialwissenschaften und Medizin verwendet. Ein Wissenschaftler, der Kryotechnik studiert, heißt a Kryogenist. Ein kryogenes Material kann als a bezeichnet werden Kryogen. Obwohl kalte Temperaturen unter Verwendung einer beliebigen Temperaturskala gemeldet werden können, der Kelvin und Rankine-Skalen sind am häufigsten, weil sie sind absolute Skalen das haben positive Zahlen.

Wie kalt eine Substanz sein muss, um als "kryogen" zu gelten, wird von der wissenschaftlichen Gemeinschaft diskutiert. Das US-amerikanische National Institute of Standards and Technology (NIST) geht davon aus, dass die Kryotechnik Temperaturen unter –180 ° C (93,15 K) umfasst. –292,00 ° F), was eine Temperatur ist, über der übliche Kältemittel (z. B. Schwefelwasserstoff, Freon) liegen Gase und darunter "permanente Gase" (z. B. Luft, Stickstoff, Sauerstoff, Neon, Wasserstoff, Helium) Flüssigkeiten. Es gibt auch ein Forschungsgebiet namens "Hochtemperatur-Kryotechnik", bei dem Temperaturen über dem Siedepunkt liegen

Die Messung der Temperatur von Kryogenen erfordert spezielle Sensoren. Widerstandstemperaturdetektoren (RTDs) werden verwendet, um Temperaturmessungen von nur 30 K durchzuführen. Unterhalb von 30 K werden häufig Siliziumdioden verwendet. Kryo-Partikeldetektoren sind Sensoren, die einige Grad arbeiten über dem absoluten Nullpunkt und werden verwendet, um Photonen und Elementarteilchen zu detektieren.

Kryogene Flüssigkeiten werden typischerweise in Geräten gelagert, die als Dewar-Kolben bezeichnet werden. Dies sind doppelwandige Behälter, die zwischen den Wänden ein Vakuum zur Isolierung haben. Dewar-Kolben, die zur Verwendung mit extrem kalten Flüssigkeiten (z. B. flüssigem Helium) vorgesehen sind, haben einen zusätzlichen Isolierbehälter, der mit flüssigem Stickstoff gefüllt ist. Dewar-Flaschen sind nach ihrem Erfinder James Dewar benannt. Durch die Kolben kann Gas aus dem Behälter entweichen, um zu verhindern, dass Druckaufbau kocht, der zu einer Explosion führen kann.

Die folgenden Flüssigkeiten werden am häufigsten in der Kryotechnik verwendet:

Es gibt verschiedene Anwendungen der Kryotechnik. Es wird zur Herstellung von kryogenen Brennstoffen für Raketen verwendet, einschließlich flüssigem Wasserstoff und flüssigem Sauerstoff (LOX). Die starken elektromagnetischen Felder, die für die Kernspinresonanz (NMR) benötigt werden, werden normalerweise durch Unterkühlung von Elektromagneten mit Kryogenen erzeugt. Die Magnetresonanztomographie (MRT) ist eine Anwendung der NMR, die verwendet flüssiges Helium. Infrarot Kameras erfordern häufig eine kryogene Kühlung. Das kryogene Einfrieren von Lebensmitteln wird zum Transportieren oder Lagern großer Mengen von Lebensmitteln verwendet. Flüssiger Stickstoff wird zur Erzeugung von Nebel verwendet für Spezialeffekte und sogar Cocktails und Essen. Das Einfrieren von Materialien mit Kryogenen kann sie spröde genug machen, um sie für das Recycling in kleine Stücke zu zerbrechen. Kryogene Temperaturen werden verwendet, um Gewebe- und Blutproben zu lagern und experimentelle Proben aufzubewahren. Kryogene Kühlung von Supraleitern kann verwendet werden, um die Stromübertragung für Großstädte zu erhöhen. Die kryogene Verarbeitung wird als Teil einiger Legierungsbehandlungen und zur Erleichterung chemischer Reaktionen bei niedriger Temperatur (z. B. zur Herstellung von Statin-Arzneimitteln) verwendet. Kryomahlen wird zum Fräsen von Materialien verwendet, die zu weich oder elastisch sein können, um bei normalen Temperaturen gemahlen zu werden. Das Abkühlen von Molekülen (bis zu Hunderten von Nano-Kelvin) kann verwendet werden, um exotische Materiezustände zu bilden. Das Cold Atom Laboratory (CAL) ist ein Instrument zur Verwendung in der Schwerelosigkeit zur Bildung von Bose Einstein Kondensate (ca. 1 Pico Kelvin Temperatur) und Testgesetze der Quantenmechanik und anderer Physik Prinzipien.

Kryotechnik ist ein weites Feld, das mehrere Disziplinen umfasst, darunter:

Kryonik - Kryonik ist die Kryokonservierung von Tieren und Menschen mit dem Ziel, sie in Zukunft wiederzubeleben.

Kryochirurgie - Dies ist ein chirurgischer Zweig, bei dem kryogene Temperaturen verwendet werden, um unerwünschte oder bösartige Gewebe wie Krebszellen oder Muttermale abzutöten.

Kryoelektroniks - Dies ist die Untersuchung der Supraleitung, des Hopfens mit variablem Bereich und anderer elektronischer Phänomene bei niedriger Temperatur. Die praktische Anwendung der Kryoelektronik heißt Kryotronik.

Kryobiologie - Dies ist die Untersuchung der Auswirkungen niedriger Temperaturen auf Organismen, einschließlich der Erhaltung von Organismen, Gewebe und genetischem Material unter Verwendung Kryokonservierung.

Während die Kryotechnik normalerweise eine Temperatur unterhalb des Gefrierpunkts von flüssigem Stickstoff und dennoch oberhalb der von beinhaltet absoluter Nullpunkt, Forscher haben Temperaturen unter dem absoluten Nullpunkt erreicht (sogenannter negativer Kelvin Temperaturen). 2013 kühlte Ulrich Schneider von der Universität München Gas unter den absoluten Nullpunkt ab, was es angeblich heißer statt kälter machte!

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