Słowo kriogenika pochodzi od słów greckich "kruos", co oznacza "zimno" i "genos" - "pochodzenie" lub "tworzenie". Pojęcie to stosuje się na określenie metod uzyskiwania i wykorzystywania temperatur niższych od 120 K , a dokładnie 111,1 K, tj. temperatury wrzenia metanu pod ciśnieniem normalnym. Temperatura wrzenia ciekłego metanu jest umowną granicą wyodrębniająca kriogenikę z chłodnictwa i zaproponowaną przez XIII Międzynarodowy Kongres Chłodnictwa w 1971 roku. W procesach uzyskiwania tak niskich temperatur w szczególny sposób uwidacznia się II Zasada Termodynamiki wprowadzająca asymetrię do skali temperatur i wskazująca na nieodwracalność pewnych fizycznych i chemicznych procesów. O ile temperatury wyższe od otoczenia mogą zaistnieć na Ziemi w sposób naturalny, np. na skutek uderzenia pioruna może zostać wzniecony pożar powodujący lokalny wzrost temperatury nawet do kilku tysięcy K, o tyle nigdy nie zaobserwowano spontanicznego skroplenia się powietrza nawet w najbardziej mroźny, zimowy dzień. Uzyskanie niskich temperatur zawsze związane jest z nakładem energii w postaci mechanicznej, elektrycznej, chemicznej lub magnetycznej.

Obecnie dostępne technologie pozwalają osiągnąć niskie temperatury rzędu 10-8 K (adiabatyczne rozmagnesowanie jąder miedzi) czy nawet 10-9 K (chłodzenie laserowe atomów obojętnych prowadzące do powstania kondensatu Bosego-Einsteina), jednak praktyczne znaczenie mają temperatury wyższe uzyskiwane przez odparowanie skroplonych gazów pod ciśnieniem normalnym, równe np. 4,2 K dla helu czy 77,4 K dla azotu.

Przyjęcie jako granicznej temperatury kriogenicznej wartości 120 K jest oczywiście arbitralne i wynika z historycznego rozwoju kriogeniki, kiedy głównym celem badawczym tej dziedziny było uzyskanie w postaci ciekłej tzw. gazów trwałych (tabela 1), których nie można skroplić w procesie izotermicznego sprężenia, np. azotu, tlenu, wodoru i helu.

Początki kriogeniki sięgają roku 1877, kiedy prawie równocześnie, lecz niezależnie od siebie Cailletet we Francji i Pictet w Szwajcarii uzyskali przez kilka sekund temperaturę równą około 90 K i zaobserwowali przez krótki okres pary tlenu w postaci przelotnej mgły. Cailletet zastosował metodę rozprężenia gazu sprężonego w cylindrze do ciśnienia około 20 MPa i wykonującego pracę zewnętrzną, natomiast Pictet jedynie dławił tlen. W obu metodach sprężony gaz był wstępnie oziębiany do około do około 173 K. W niespełna rok później ci sami badacze uzyskali przez krótko okres czasu temperaturę około 77 K zastępując tlen azotem.
Pierwszeństwo pełnego skroplenia powietrza i jego składników przypadło w 1883 roku Karolowi Olszewskiemu i Zygmuntowi Wróblewskiemu, pracującym wówczas w Krakowie. Uczeni ci po raz pierwszy zastosowali metodę kaskadową polegającą na obniżeniu temperatury gazu poniżej temperatury jego punktu krytycznego, skropleniu go pod podwyższonym ciśnieniem i następnie odparowaniu pod ciśnieniem atmosferycznym lub niższym. Parujący gaz ochładzał następnie inny czynnik do temperatury poniżej punktu krytycznego. Wróblewski z Olszewskim użyli do przechłodzenia sprężonego powietrza etylen wrzący pod obniżonym ciśnieniem i uzyskali skroplone powietrze (78,8 K), a następnie w ten sam sposób tlen (90,2 K) i azot (77 K). Rekord zimna ustanowiony przez polskich badaczy wyniósł około 55 K i został osiągnięty przez odparowanie tlenu pod obniżonym ciśnieniem.

Tabela 1.1. Wybrane własności gazów kriogenicznych
Tabela 1.1. Wybrane własności gazów kriogenicznych

M – masa cząsteczkowa, TN – normalna temperatura wrzenia przy p=1bar, ΔHv – ciepło parowania, ρ - gęstość, V-objętość, TC – temperatura krytyczna, PC – ciśnienie krytyczne
Indeksy: 1-ciecz w TN, 2-gaz w TN, 3-gaz przy 1 bar i 273 K, c – w punkcie krytycznym.

W roku 1898 James Dewar uzyskał skroplony wodór (20,3 K) w procesie izentalpowego dławienia sprężonego wodoru oziębionego do temperatury ciekłego powietrza. Aparat Dewara wykorzystywał naczynie o podwójnych ściankach, spomiędzy których usunięto powietrze, zwane dzisiaj naczyniem Dewara lub popularnie termosem. To właśnie wynalazek nowego typu izolacji - izolacji próżniowej pozwolił Dewarowi na zgromadzenie ciekłego wodoru w dużej ilości i ustanowienie nowego rekordu zimna na poziomie 20,3 K.

Ostatni z grupy gazów trwałych – hel, o normalnej temperaturze wrzenia równej 4,2 K, został skroplony przez Heike Kamerlingh Onnesa w Lejdzie w 1908 roku. Kamerlingh Onnes zastosował proces izentalpowego dławienia po uprzednim ochłodzeniu sprężonego helu do temperatury ciekłego wodoru. Następnie dzięki obniżeniu ciśnienia nad lustrem wrzącego helu Kamerlingh Onnes uzyskał temperaturę 1,72 K w roku 1908 i tak niską jak 0,83 K w roku 1922. Dzięki rozwojowi pomp próżniowych, następca Kamerlingh Onnesa - Keesom, stosując wysocewydajną pompę dyfuzyjną uzyskał temperaturę 0,71 K w roku 1932. Jest to w zasadzie najniższa temperatura jaką można uzyskać posługując się izotopem 4He. Stosując izotop helu 3 charakteryzujący się niższą normalną temperaturą wrzenia (3 K) można poprzez obniżanie ciśnienia obniżyć temperaturę do około 0,3 K.

Dalsze obniżanie temperatur stało się możliwe dzięki zastosowaniu metody rozmagnesowania adiabatycznego paramagnetyków. W roku 1926 niezależnie od siebie Giauque i Debye zaproponowali wykorzystanie przemian magnetycznych do uzyskiwania nawet tak niskich temperatur jak tysiączne Kelvina. W roku 1933 w pojedynczym procesie adiabatycznego rozmagnesowania siarczanu gadolinu, Giauque oraz McDougall uzyskali chwilowo temperaturę 0,32 K, natomiast w niespełna dwa lata później, w roku 1935 stosując tę samą metodę w ulepszonej chłodziarce De Haas uzyskał przez krótki okres czasu 0,0044 K.
Chwilową temperaturę 1,2 10-6 uzyskali w roku 1963 Kurti, Simon, Robinson i Spor stosując metodę jednostopniowego adiabatycznego rozmagnesowania jąder miedzi.

W roku 1951 H. London zaproponował jako proces rozcieńczania 3He w nadciekłym 4He, pierwsze chłodziarki rozcienczalnikowe powstały w roku 1965. W przeciwieństwie do chłodziarek magnetycznych, chłodziarki rozcienczalnikowe charakteryzują się pracą ciągłą i są obecnie podstawowym narzędziem służącym do uzyskiwania i długotrwałego utrzymywania temperatur w zakresie temperatur rzędu pojedynczych mK.

Adiabatyczne zestalanie 3He jako metoda uzyskania temperatur poniżej 0,018 K zostało zaproponowane przez Pomerańczuka w roku 1950 i pierwsze chłodziarki wykorzystujące efekt Pomerańczuka zostały zbudowane w roku 1965.

Rekordowo niskie temperatury, rzędu 10-9 K uzyskano w roku 2000 dzięki zastosowaniu chłodzenia laserowego grupy obojętnych atomów rubidu, co w efekcie doprowadziło do powstania kondensatu Bosego-Einsteina. Temperatury te osiągnięto dzięki zmniejszeniu prędkości całych atomów.

Główne obszary zastosowań kriogeniki
Obecnie kriogenika jest stosowana w wielu dziedzinach techniki, nauki i medycyny, a jej szczególny charakter wynika przede wszystkim z następujących czynników:

• W sposób zdecydowany wzrasta przemysłowe wykorzystanie różnych gazów technicznych tj. tlenu, azotu, argonu, metanu (gazu ziemnego), wodoru, helu, neonu, kryptonu i innych w takich dziedzinach jak metalurgia, chemia, energetyka, techniki jądrowe i rakietowe, lotnictwo, rolnictwo, medycyna, przetwórstwo żywności i inne.
• W niskich temperaturach spada opór elektryczny a niektóre materiały przechodzą do stanu nadprzewodnictwa. Po raz pierwszy nadprzewodnictwo zaobserwował Heike Kammerlingh Onnes w rtęci oziębionej do temperatury 4,2 K w 1911 roku. Od tego czasu zjawisko to stwierdzono w ponad tysiącu różnych substancji: metalach, stopach, związkach międzymetalicznych, przy czym przełomowe było odkrycie tzw. nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego w ceramikach w roku 1986. Nadprzewodniki wysokotemperaturowe mogą być ziębione ciekłym azotem i przewiduje się ich wykorzystanie w energetyce do wytwarzania nadprzewodnikowych linii przesyłu energii elektrycznej, transformatorów, ograniczników prądu, generatorów, a także silników i magnesów. Obecnie nadprzewodzące magnesy powszechnie stosuje się w tomografach wykorzystujących zjawisko rezonansu magnetycznego i stosowanych w diagnostyce medycznej.
• Obniżanie temperatury ciał towarzyszy zmniejszanie ich entropii i w konsekwencji zanik wewnętrznych szumów. W praktyce prowadzi to do wykorzystania kriogeniki w takich dziedzinach jak radiokomunikacja, detektory podczerwieni i lasery.
• W niskich temperaturach zmieniają się własności plastyczne materiałów, z których większość przechodzi w stan kruchy. Pozwala to na stosowanie metod kriogenicznych w recyklingu.

Skraplanie i rozdział mieszanin gazowych
Zastosowanie metod kriogenicznych w przemyśle wytwarzającym gazy techniczne zaczęło się na przełomie wieku XIX i XX. W roku 1895 Carl von Linde po raz pierwszy zastosował na skalę przemysłową metodę skroplenia powietrza i następnie w roku 1902 jego rektyfikacji. W procesie skroplenia powietrza Linde wykorzystał zjawisko izentalpowego dławienia (Joulea-Thomsona) powietrza wstępnie oziębionego w rekuperacyjnym wymienniku ciepła – rysunek 1.Rozpoczęcie produkcji gazów technicznych (szczególnie tlenu) na skalę przemysłową umożliwiło szybki rozwój metalurgii i przemysłu maszynowego.

Rys. 1. Podwójna kolumna Lindego
Rys. 1. Podwójna kolumna Lindego

Rys.2. Podwójna kolumna Lindego z odzyskiem argonu
Rys.2. Podwójna kolumna Lindego z odzyskiem argonu

Obecnie budowane instalacje rektyfikacji powietrza produkują tysiące ton skroplonych gazów na dobę. Wg badań gospodarki USA wzrost produkcji gazów technicznych dwukrotnie przewyższa wzrost produktu narodowego brutto i jest jednym z istotnych mierników rozwoju kraju. Coraz większego znaczenia nabiera przemysłowe wykorzystanie różnych gazów technicznych tj. tlenu, azotu, argonu, metanu (gazu ziemnego), wodoru, helu, neonu, kryptonu i innych w takich dziedzinach jak metalurgia, chemia, energetyka, techniki jądrowe i rakietowe, lotnictwo, rolnictwo, medycyna, przetwórstwo żywności i inne. Gazy te są stosowane zarówno w postaci gazowej jak i ciekłej, a ich normalne temperatury wrzenia leżą w obszarze temperatur kriogenicznych. Podstawowymi metodami rozdzielania powietrza na tlen, azot i argon są technologie kriogeniczne. Również krypton i ksenon obecne w powietrzu w śladowych ilościach są odzyskiwane dzięki wykorzystaniu różnic w temperaturach wrzenia składników powietrza. Podobnie prawie cały wytwarzany hel uzyskuje się w procesie kriogenicznej przeróbki gazu ziemnego, w którym udział helu może wynosić do 2%. Transport gazów technicznych w postaci ciekłej jest znacznie tańszy od transportu w postaci gazów sprężonych, podobnie przechowywanie gazów ciekłych wymaga mniej przestrzeni i jest mniej kosztowne.

Jako jedno z alternatywnych źródeł energii w przyszłości uważa się wodór. Wodór charakteryzuje się bardzo dużą gęstością energii na jednostkę masy, natomiast ze względu na najmniejszy ze wszystkich pierwiastków ciężar właściwy, niewielką gęstością energii na jednostkę objętości w warunkach normalnych. Jednym ze sposobów "zagęszczenia" energii w wodorze jest jego skroplenie. Ciekły wodór obecnie stosowany jest jako paliwo rakietowe, natomiast już obecnie produkowane są prototypowe samochody zasilane wodorem, który jest albo spalanych w silnikach z wewnętrznym spalaniem, lub podlega konwersji na energię elektryczna w ogniwach paliwowych. Niezależnie od technologii wytwarzania wodoru (np. metodą elektrolizy, z gazu koksowego, z gazu ziemnego), jego skroplenie, transport i przechowywanie w postaci ciekłej wymagają zaawansowanych technologii kriogenicznych.

Przemysł spożywczy [1-3]
W ostatnich latach daje się zauważyć rosnące zainteresowanie technologią zamrażania kriogenicznego nazwanego też zamrażaniem szokowym, ze względu na bardzo duże wartości współczynników wnikania ciepła (do 2000 W/m²K. W procesach zamrażania żywności stosuje się ciekły azot (LN2) oraz dwutlenek węgla (CO2), którego temperatura sublimacji pod ciśnieniem atmosferycznym wynosi 194,5 K. Czynniki te nie maja negatywnego chemicznego oddziaływania na własności zamrażanych przy ich użyciu produktów żywnościowych.
Kriogeniczne metody zamrażania żywności znajdują zastosowanie wszędzie tam gdzie w procesach technologicznych istnieje potrzeba schładzania bądź zamrożenia produktu w bardzo krótkim czasie, gdzie korzystne jest szybkie powierzchniowe zamrożenie (wytworzenie powierzchniowej warstwy ochronnej). Możliwość oddziaływania na produkt dużym strumieniem chłodu wpływa na skrócenie czasu zamrażania, przy jednoczesnej poprawie jakości zamrożonego produktu, co stanowi główna zaletę zamrażania w warunkach kriogenicznych. Zwykle czas zamrażania wynosi od 3 do 10 min zaś przy produktach dużych do 20 min. Temperatury kriogeniczne wpływają korzystnie także na szybszą dezaktywacje enzymów negatywnie oddziałujących na jakość produktu. W wyniku zamarzania kriogenicznego dochodzi do równomiernej krystalizacji wody na zewnątrz i wewnątrz komórki, wytwarzane są mniejsze kryształy, które nie naruszają tkankowej struktury produktu. Dzięki temu produkt zachowuje bardziej naturalny wygląd, a po rozmrożeniu ograniczone zostają wycieki, a więc zmiany kształtu i konsystencji. Ponadto znacznie zmniejsza się efekt ususzki podczas samego procesu zamrażania. Ubytki masy przy zamrażaniu w aparatach kriogenicznych wahają się w granicach 0.43-0.7 % co stanowi znaczna poprawę w stosunku do metod fluidyzacyjnych (1.0-1.5 %), tuneli owiewowych (2-3 %) oraz do aparatów taśmowo-spiralnych (1.2 %). Otrzymywany produkt charakteryzuje się minimalnym stopniem przetworzenia. Typowe zużycie ciekłego azotu na 1 kg zamrażanego produktu wynosi około 1 kg/kg. Możliwe jest również stosowanie metod kriogenicznych w połączeniu z metodami konwencjonalnymi w celu np. zwiększenia wydajności instalacji w okresie obciążenia szczytowego.
Kriogeniczne techniki przemysłowego zamrażania znalazły zastosowanie głównie przy przetwarzaniu produktów delikatnych i drobnych, kiedy koszty produkcji są rekompensowane efektami końcowymi. Aparaty kriogeniczne wykorzystuje się do utrwalania owoców, warzyw, grzybów. W owocach jagodowych (truskawki, maliny, wiśnie) zastosowanie szybkich kriogenicznych metod zamrażania wpływa istotnie na lepsza konsystencje, barwę i aromat oraz ograniczenie wycieków, przy jednoczesnym zachowaniu delikatnego kształtu surowca. Zbliżone efekty uzyskuje się podczas mrożenia warzyw (np. kalafiory, pomidory, brokuły). Mrożenie grzybów w ciekłym azocie pozwala na przedłużenie terminu ich przydatności do spożycia nawet do roku przy jednoczesnym zachowaniu intensywnego smaku i zapachu. Metody kriogeniczne zyskały duża popularność w przemyśle piekarniczym i cukierniczym. Zużycie czynnika jest tu stosunkowo małe, a otrzymuje się bardzo pożądane efekty jakościowe. Także w przypadku zamrażania płynnej żywności np. masy jajowej czy sosów korzystny wpływ na efekt końcowy ma zamrażanie przy użyciu kriogenów. Zaletą stosowania LN2 jest możliwość mrożenia koncentratów soków w postaci kulek lub proszkowanie tłuszczów jadalnych. Zamrażanie kriogeniczne jest bardzo dobra metoda długookresowego utrwalania aktywnych substancji biologicznych stosowanych miedzy innymi do produkcji serów czy jogurtów. Wykraplane kuleczki tych substancji zamrażane są w kąpieli ciekłego azotu w ciągu ok. 15 s., a później przechowywane w szafie LN72 w temperaturze -60°C.

Medycyna [4-6]
Niskie temperatury w medycynie wykorzystuje się w leczeniu operacyjnym (kriochirurgia), rehabilitacji (krioterapia) a także pośrednio w diagnostyce medycznej (nadprzewodzące magnesy tomografów NMR wykorzystujacych zjawisko rezonansu magnetycznego są kriostatowane ciekłym helem). Długotrwałe przechowywanie preparatów biologicznych nie byłoby możliwe bez użycia ciekłego azotu. Natomiast stosunkowo niska temperatura wrzenia oraz bakteriostatyczność dwutlenku węgla umożliwiła transport materiałów biologicznych (krew, organy) przyczyniając się do rozwoju transplantologii.
Określone przez lekarzy parametry zabiegów kriomedycznych (temperatura końcowa tkanki, czas zabiegu) wskazują na przydatność do zastosowań w urządzeniach kriomedycznych czynników roboczych o temperaturze wrzenia niższej od 200 K. W aparatach kriomedycznych stosowane są azot, podtlenek azotu N2O o normalnej temperaturze wrzenia 183,6 K oraz rzadziej dwutlenek węgla. W zabiegach kriomedycznych można wyróżnić krioterapię i kriochirurgię.
Termin krioterapia lub kriostymulacja odnosi się do działań leczniczych mających na celu obniżenie temperatury powierzchni ciała w krótkim czasie 120 – 180 s. Działanie zimna nie powoduje destrukcji tkanek. Celem zabiegu krioterapeutycznego jest wywołanie i wykorzystanie fizjologicznych reakcji organizmu na zimno a także wspomaganie leczenia podstawowego i ułatwienie leczenia ruchem. W celu pobudzenia układu obronnego cały organizm lub jego fragment poddaje się działaniu bardzo niskiej temperatury. Krioterapię dzieli się ze względu na rozległość oddziaływania niskiej temperatury na miejscową oraz ogólnoustrojową.
Krioterapia ogólnoustrojowa lub ogólna oznacza zabieg, któremu poddany jest cały organizm pacjenta. Krioterapeutyczne zabiegi ogólnoustrojowe wykonuje się w kriokomorach, w których lokalnie temperatura może być niższa od 120 K. Czas przebywania pacjenta w kriokomorze wynosi od 0,5 do 3 minut. Kriokomora jest pomieszczeniem o kubaturze rzędu 40 m³ podzielonym na dwie części – przedsionek i komorę właściwą (rys. 3). Przedsionek spełnia rolę pomieszczenia przejściowego, w którym utrzymuje się temperaturę na poziomie 240 K. W jego wnętrzu następuje adaptacja organizmów pacjentów do niskiej temperatury. Przedsionek stanowi barierę dla wilgoci stanowiącej jeden z podstawowych problemów eksploatacyjnych kriokomór. Wewnątrz komory właściwej utrzymuje się gradient temperatury powietrza od około 150 K na wysokości 60 cm do około 200 K na wysokości 170 cm nad podłogą. Obniżenie i utrzymanie temperatury w przedsionku oraz w komorze zapewniają lamelowe wymienniki ciepła zasilane ciekłym azotem. Powietrze oddechowe wtłaczane do pomieszczeń poddaje się procesowi oczyszczania z wilgoci i dwutlenku węgla oraz równoczesnemu oziębianiu w kriooczyszczalnikach.

Rys. 3. Schemat instalacji kriokomory
Rys. 3. Schemat instalacji kriokomory

Podczas miejscowego zabiegu krioterapeutycznego fragment ciała, np. staw, poddawany jest działaniu niskiej temperatury. Aparat do wykonywania miejscowych zabiegów krioterapeutycznych zasilany ciekłym azotem jest pokazany na rysunku 4,5. Aparat składa się ze zbiornika ciekłego azotu o pojemności 35 dm3, głowicy azotowej, grzałki, elastycznego węża oraz układu sterowania. W izolowanym próżniowo zbiorniku z ciekłym azotem umieszcza się głowicę azotową wyposażoną w grzałkę. Zadaniem grzałki jest dostarczenie ciepła, które powoduje odparowanie ciekłego czynnika. Opary azotu kierowane są do elastycznego przewodu umożliwiającego ukierunkowanie ich strumienia na żądane miejsce. Temperatura nawiewanego azotu wynosi około 120 K .

Rys. 4. Aparat do krioterapii
Rys. 4. Aparat do krioterapii

Rys. 5. Aparat do krioterapii - Kriosan 7 (Kriosystem Wrocław)
Rys. 5. Aparat do krioterapii - Kriosan 7
(Kriosystem Wrocław)

Rys. 6. Zabieg krioterapii miejscowej (Kriosystem Wrocław)
Rys. 6. Zabieg krioterapii miejscowej
(Kriosystem Wrocław)

Zabieg kriochirurgiczny (kriodestrukcja) polega na miejscowym, kontrolowanym niszczeniu komórek objętych zmianami chorobowymi poprzez działanie na nie niskimi temperaturami.

Zabiegi wykonuje się trzema metodami:

Metoda wykorzystująca bezpośrednie odparowanie czynnika.
Zabieg wykonuje się za pomocą wacików nawiniętych na drewniane pałeczki i zanurzonych w ciekłym azocie (rys. 7). Dzięki swej porowatości wacik staje się "zbiorniczkiem" czynnika. Zetknięcie go ze skórą powoduje gwałtowne odparowanie azotu pod wpływem ciepła odbieranego od tkanki.

Metoda natryskowa.
Zabieg metodą natryskową polega na aplikowaniu ciekłego czynnika bezpośrednio na powierzchnię tkanki. Rozpylona ciecz kriogeniczna odparowuje, obniżając temperaturę powierzchni skóry. Do jej zastosowania niezbędne jest wytworzenie ciśnienia w zbiorniku, z którego podawany jest kriogen – rys. 8.

Metoda kontaktowa.
Zabieg metodą kontaktową wymaga zastosowania zamkniętego aplikatora (rys.9). W jego przestrzeni przepływa ciekły czynnik, który odbierając ciepło odparowuje. Do tkanki przylega powierzchnia mrożąca przekazująca ciepło od tkanki do kriogenu. Zastosowanie aplikatora zamkniętego uniemożliwia bezpośredni kontakt kriocieczy z powierzchnią skóry.

Rys. 7. Metoda bezpośredniego odparowania czynnika

Rys. 7. Metoda bezpośredniego
odparowania czynnika

Rys. 7. Metoda bezpośredniego odparowania czynnika

Rys. 8. Aparat z aplikatorem natryskowym


Rys. 9. Aparat z aplikatorem kontaktowym
Rys. 9. Aparat z aplikatorem
kontaktowym

W trakcie zabiegu kriochirurgicznego obserwuje się stopniowe narastanie kuli lodowej. Istotne jest odpowiednio długie prowadzenie zabiegu, w celu osiągnięcia pełnej martwicy chorej tkanki.

Rys. 10. Dynamika procesu narastania kuli lodowej w trakcie symulowanego zabiegu kriochirurgicznego

Rys. 10. Dynamika procesu narastania kuli lodowej w trakcie
symulowanego zabiegu kriochirurgicznego

Nadprzewodnictwo i badania naukowe
Jak już wspomnieliśmy niskim temperaturom towarzyszą zupełnie nowe własności substancji. Sam fakt skroplenia, a następnie zestalenia gazów uważanych za trwałe, a więc niemogące osiągnąć innego stanu skupienia niż gazowy, jest tego dobrym przykładem. Jednym z najbardziej spektakularnych zjawisk przejawiających się w niskich temperaturach i dających się wytłumaczyć jedynie w oparciu o fizykę kwantową jest nadprzewodnictwo, polegające zarówno na całkowitym zaniku oporu elektrycznego próbki jak i na wypchnięciu z jej wnętrza pola magnetycznego, czyli idealnym diamagnetyzmie.
Zjawisko nadprzewodnictwa w rtęci w temperaturze 4,2 K zostało zaobserwowane przez Kamerlingha Onnesa już w roku 1911 ale dopiero po uruchomieniu seryjnej produkcji skraplarek helu przez Collinsa w roku 1950 pojawiły się możliwości aplikacji tego zjawiska w budowie magnesów, urządzeń energetycznych i przyrządów pomiarowych. Teoria nadprzewodnictwa została zaproponowana przez BCS. Aż do połowy lat osiemdziesiątych XX wieku, zgodnie z teorią BCS uważano, że przejście jakiegokolwiek ciała w stan nadprzewodnictwa jest niemożliwe, jeżeli jego temperatura przekracza 30 K. Najczęściej stosowanymi nadprzewodnikami, przede wszystkim do budowy cewek magnesów, są stop nibu z tytanem NbTi, o temperaturze krytycznej 9,6 K oraz związek międzymetaliczny Nb3Sn charakteryzujący się temperaturą krytyczną 18 K. Jedynym czynnikiem, który umożliwia utrzymywanie tych nadprzewodników w odpowiednio niskiej temperaturze jest hel. W roku 1986 Bednorz i Mueller odkryli zjawisko nadprzewodnictwa w ceramikach tlenkowych przy temperaturze 37 K. Ponieważ pokonana została wynikająca z teorii BCS teoretyczna granica 30 K, zjawisko to otrzymało nazwę nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego. Od tego momentu nastąpił szybki wzrost temperatur krytycznych nadprzewodników wysokotemperaturowych i obecnie wiele z nich zachowuje własności nadprzewodzące nawet powyżej 100 K (YBCO, BISCO). Nadprzewodniki takie mogą być ziębione ciekłym azotem. Z powodu swojej ceramicznej struktury nadprzewodniki wysokotemperaturowe są technologicznie bardzo trudne do wykonania w postaci drutów i kabli i pomimo wysokich temperatur krytycznych, dotychczas nie udało się ich wykorzystać na dużą skalę.
Obecnie największymi instalacjami wykorzystującymi zjawisko nadprzewodnictwa są wielokilometrowe akceleratory cząstek budowane w laboratoriach fizyki wysokich energii. Akcelerator Large Hadron Collider o energii w centrum zderzeń protonów budowany obecnie w Europejskiej organizacji Badań Jądrowych CERN w Genewie będzie zawierał ponad 1800 nadprzewodzących magnesów umieszczonych w podziemnym tunelu o długości 28 km (rys. Magnesy będą kriostatowane nadciekłym helem o temperaturze 1,8 K, a moc chłodnicza chłodziarek helowych wyniesie 144 kW przy temperaturze 4,5 K. Uzyskanie takiej mocy chłodniczej na poziomie temperatury ciekłego helu wymaga doprowadzenia mocy elektrycznej 30 MWe.

Rys. 11. Tunel akceleratora Large Hadron Collider, CERN Genewa
Rys. 11. Tunel akceleratora Large Hadron Collider, CERN Genewa

W technice wojskowej stosowane są miniaturowe chłodziarki Stirlinga, McMahona i rury pulsacyjne do chłodzenia detektorów podczerwieni m.in. w noktowizorach i układach naprowadzania rakiet.

Podsumowanie
Osiąganie temperatur kriogenicznych (szczególnie helowych) jest termodynamicznie kosztowne, gdyż sprawności lewobieżnych obiegów realizowanych w zakresie temperatur kriogenicznych są niskie. Pomimo tego kriogenika jest stosowana w wielu dziedzinach techniki, nauki i medycyny, a wzrost zainteresowania tą dziedziną wiedzy jest wyraźnie widoczny w wielu dziedzinach nauki, techniki, biologii, medycyny, rolnictwa i przetwórstwa żywności. Stosowanie kriogeniki wymaga opanowania wspomagających ją technologii, w szczególności techniki próżniowej i zaawansowanych technologii materiałowych.\

Prof. Maciej Chorowski
Politechnika Wrocławska
Instytut Techniki Cieplnej i Mechaniki Płynów
Zakład Kriogeniki i Technologii Gazowych

Literatura
1. Gruda Z., Postolski J., Zamrażanie żywności, WNT, Warszawa, 1999
2. Kondratowicz J., Przydatność ciekłego azotu uzyskiwanego z gazu ziemnego do mrożenia żywności, Chłodnictwo, Nr 1/2001
3. Kondratowicz J., Nowe technologie zastosowania ciekłego azotu w przemyśle spożywczym, Chłodnictwo, Nr 12/2001
4. M. Gabryś, A. Popiela; Krioterapia w medycynie, Urban & Partner, Wrocław 2003
5. M. Kaźmierowski; Kriochirurgia w chorobach skóry, Czelej, Lublin 1997
6. A. Piotrowska, Analiza porównawcza ciekłego azotu i podtlenku azotu w zastosowaniach kriomedycznych, praca magisterska, 2003, Wydział Mechaniczno-Energetyczny Politechniki Wrocławskiej