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Die Kryotechnik befasst sich mit der Herstellung und dem Verhalten von Materialien bei extrem niedrigen Temperaturen. Die chemischen Eigenschaften von Werkstoffen sind für die Forscher von zentralem Interesse. Der Übergang vom Gas zur Flüssigkeit hat die Entwicklung neuer Technologien und Industrien gefördert. Außerdem hat sich dadurch das Verständnis für neue Materialien verbessert.
Die Temperatur eines Materials ist proportional zum Maß seiner Energie. Kryogene Temperaturen reichen von -150 Grad Celsius bis -273 Grad Celsius, wobei -273 die niedrigste erreichbare Temperatur ist. An diesem Punkt hören die Aktionen der Moleküle auf, so dass sie sich im niedrigsten Energiezustand befinden.
Eine kryogene Umgebung entsteht in der Regel, wenn Gas zu kondensieren beginnt. Zu den gebräuchlichen Gasen, die sich in der Kryotechnik verflüssigen, gehören Sauerstoff, Helium, Stickstoff und Wasserstoff. Flüssige Gase, die bei oder unter -150 Grad Celsius liegen, helfen normalerweise beim Einfrieren anderer Materialien.
Die Geschichte der Kryotechnik
Der Name Kryogenik stammt von dem griechischen Wort "Kyros", das Kälte bedeutet. Kryogenik besteht aus einer Kombination von Kyros oder Kälte mit dem englischen Wort "to generate", was das Wort Kryogenik ergibt. Kelvin (K) ist die Maßeinheit für sehr kalte Temperaturen. Der Begriff Kelvin geht auf den Namen Baron Kelvin zurück. Laut Baron Kelvin war eine neue Skala für sehr tiefe Temperaturen erforderlich, die sich nicht mit der Zustandsänderung von Wasser wie Celsius oder Fahrenheit messen ließen. Die theoretisch kälteste Temperatur ist Null Grad Kelvin.
1877 verflüssigten Louis Cailletet und Rasul Pictet den Sauerstoff mit verschiedenen Methoden. Dies war das erste Mal, dass Sauerstoff verflüssigt wurde. Nach und nach wurde eine weitere Methode entdeckt, und die Verflüssigung von Sauerstoff war bis 90 K möglich. Später gelang es, Stickstoff bei 77 K zu verflüssigen. Dies veranlasste Wissenschaftler auf der ganzen Welt zu einem Wettbewerb, um die Temperatur von Materialien auf den absoluten Nullpunkt zu senken.
Im Jahr 1898 wurde Wasserstoff von James DeWar bei 20 K verflüssigt. Jede neue Erfindung und Entdeckung bringt Schwierigkeiten mit sich. Die vorherrschende Herausforderung war, wie Gase bei solchen Temperaturen effektiv gehandhabt und gelagert werden konnten. Die Entwicklung der DeWar-Kolben machte dies möglich und wird seither immer wieder angewandt.
Die letzte große Verbesserung in der Kryotechnikindustrie wurde erzielt, als Heike Kamerling Onnes Helium bei 4,2 K und 3,2 K verflüssigen konnte. Die Entdeckungen, die nach dieser Entwicklung gemacht wurden, waren aufgrund des thermodynamischen Gesetzes geringer. Dieses Gesetz besagt, dass der absolute Nullpunkt nicht wirklich erreicht werden kann, sondern dass man sich ihm nur annähern kann. Durch den kontinuierlichen technologischen Fortschritt nach der letzten großen Entdeckung ist es uns möglich, Dinge extrem nahe am absoluten Nullpunkt einzufrieren.
Anwendungen der Kryotechnik
Die Kryotechnik hilft bei der Lagerung großer Mengen von Lebensmitteln. Sie kann auch in MRT-Geräten eingesetzt werden, die flüssiges Helium verwenden und eine kryogene Kühlung benötigen. Kryotechnik hilft beim Einfrieren von Blut- und Gewebeproben, beim Recycling und bei der Lagerung großer Mengen von Lebensmitteln. Dieses Produkt hilft auch bei der Kühlung von Supraleitern.
Kryoelektronik
Kryogenische Flüssigkeiten können ultragefrorene Temperaturen erzeugen, so dass sich Elektronen in verschiedenen Materialien mit geringem Widerstand bewegen können. Die ultragefrorenen Temperaturen sind ideal für die Entwicklung von Raumfahrzeugen und Supraleitern.
Kryochirurgie
Bei dieser Art der Chirurgie werden unerwünschte Gewebe oder Tumore mit Hilfe von kryogenen Temperaturen entfernt. Dies funktioniert effektiv durch das Einfrieren der betroffenen Zellen. Es bilden sich Eiskristalle auf den Zellen, die sie schließlich zerreißen.
Konservierung von Lebensmitteln
Das Besprühen von Lebensmitteln mit flüssigem Stickstoff kann dazu beitragen, die Wärme zu absorbieren und die verpackten Lebensmittel zu konservieren. Der flüssige Stickstoff, der auf die Lebensmittel aufgetragen wird, verdunstet normalerweise vor dem Verzehr. Daher stellt dies keine chemische Gefahr dar.
Kältetherapie
KryotherapieDie Kryotherapie ist ein Zustand, in dem der menschliche Körper bei extrem kalten Temperaturen behandelt wird. Sie wirkt entzündungshemmend, schmerzlindernd und energiesteigernd. Die Forschung zur Kryotherapie ist noch neu und ihre Vorteile sind noch nicht eindeutig geklärt und erforscht.
Verwendung von Flüssigkeiten
Kryogene Flüssigkeiten sollten nur von Personen gehandhabt werden, die sich über ihre Eigenschaften und möglichen Gefahren im Klaren sind. Wählen Sie die Materialien, die mit kryogenen Flüssigkeiten verwendet werden sollen, sorgfältig aus, da viele gängige Materialien wie Kunststoff, Gummi und Stahl bei kryogenen Temperaturen spröde werden.
Wenn Sie Materialien in kryogene Flüssigkeiten eintauchen, tun Sie dies langsam, um unerwünschte Spritzer zu vermeiden. Verwenden Sie immer eine Zange. Tragen Sie auch keine Uhren, Schmuckstücke oder ähnliches, da diese bei Kontakt mit den Flüssigkeiten auf der Haut gefrieren können.
Umfüllen von Flüssigkeiten
Beim Umfüllen in einen neuen Dewar-Kolben ist darauf zu achten, dass der Aufnahmebehälter bereits abgekühlt ist. Füllen Sie dann langsam, damit die kryogene Flüssigkeit den neuen Kolben weiter abkühlen kann. Verwenden Sie immer die richtige Abfüllvorrichtung und die richtigen Behälter für die jeweilige kryogene Flüssigkeit.
Persönlicher Schutz
Achten Sie darauf, dass Sie immer den richtigen Schutz für das jeweilige Verfahren tragen und dass die Flüssigkeiten nicht mit der Haut in Berührung kommen. Tragen Sie einen nicht porösen Laborkittel mit langen Ärmeln, da die kryogenen Flüssigkeiten durch das poröse Material dringen.
Tragen Sie immer eine Brille und einen Gesichtsschutz oder eine Maske, um Ihr Gesicht zu schützen, und achten Sie darauf, dass Sie keine schädlichen Gase einatmen. Die Aufgabe kann die Verwendung einer Atemschutzmaske erfordern.
Sollte es dennoch zu einem Kontakt kommen, spülen Sie die Stelle sofort mit warmem Wasser ab.
Sie kennen nun die Grundregeln für den sicheren Umgang mit kryogenen Flüssigkeiten.
Arbeiten Sie mit Sorgfalt.
