Was ist Kryotechnik?

Die Kryotechnik, auch Kryogenik oder Tieftemperaturtechnik genannt, befasst sich mit der Erzeugung und dem Verhalten von Materialien bei extrem niedrigen Temperaturen. Die chemischen und physikalischen Eigenschaften von Materialien in diesem Temperaturbereich sind ein zentrales Forschungsfeld. Der Übergang von Gas zu Flüssigkeit hat die Entwicklung neuer Technologien und Industriezweige vorangetrieben und das Verständnis für neuartige Materialien erheblich erweitert.

Die Temperatur eines Materials steht in direktem Verhältnis zu seiner Energie. Kryogene Temperaturen liegen im Bereich von etwa –150 bis –273.15 Grad Celsius, wobei –273,15 °C (0 K) als theoretisches Limit, das sogenannte absolute Null, gilt. An diesem Punkt kommt die thermische Bewegung der Moleküle nahezu vollständig zum Erliegen, wodurch sie ihren energetisch niedrigsten Zustand erreichen.

Eine kryogene Umgebung entsteht typischerweise, wenn ein Gas beginnt, zu kondensieren und in den flüssigen Zustand übergeht. Zu den häufig unter kryogenen Bedingungen verflüssigten Gasen zählen Sauerstoff, Helium, Stickstoff und Wasserstoff. Flüssiggase bei oder unter –150 °C werden vielfach genutzt, um andere Materialien einzufrieren und moderne technologische Anwendungen zu ermöglichen.

Der Begriff "Kryogenik" stammt vom griechischen Wort „κρύος“ (kryos), was „Frost“ oder „Kälte“ bedeutet, sowie vom Suffix „-genik“, das „Erzeugung“ bedeutet. Wörtlich übersetzt heißt Kryotechnik also „Erzeugung von Kälte“.

Kelvin (K) ist die offizielle Basiseinheit der Temperatur im Internationalen Einheitensystem (SI). Die Kelvin-Skala wurde von William Thomson, besser bekannt als Lord Kelvin, eingeführt. Er schlug eine absolute Temperaturskala vor, da herkömmliche Skalen wie Celsius oder Fahrenheit auf den Materialeigenschaften von Wasser basieren und sich daher für extrem niedrige Temperaturen nicht eignen.

Die theoretisch tiefstmögliche Temperatur beträgt 0 Kelvin (K), entsprechend –273,15 Grad Celsius (°C). Diese Temperatur wird als absolutes Null bezeichnet. Am absoluten Nullpunkt kommt die thermische Bewegung von Teilchen nahezu vollständig zum Erliegen. Nach dem dritten Hauptsatz der Thermodynamik ist es jedoch unmöglich, diesen Punkt exakt zu erreichen – er kann nur angenähert werden.

Historische Meilensteine der Kryotechnik

1877 gelang es Louis Cailletet in Frankreich und Raoul Pictet in der Schweiz unabhängig voneinander erstmals, Sauerstoff zu verflüssigen. Sauerstoff verflüssigt sich bei etwa 90 K (–183,15 °C).

Kurz darauf wurde auch Stickstoff bei ungefähr 77 K (–196,15 °C) verflüssigt. Diese Erfolge lösten einen weltweiten wissenschaftlichen Wettlauf aus, um Stoffe auf immer tiefere Temperaturen abzukühlen.

1898 verflüssigte James Dewar als Erster Wasserstoff bei etwa 20 K (–253,15 °C). Die Lagerung solcher extrem kalten Flüssigkeiten stellte eine große Herausforderung dar, weshalb Dewar das Dewargefäß entwickelte – ein doppelwandiges, evakuiertes Behältnis, das auch heute noch als Isolationsbehälter verwendet wird.

1908 gelang Heike Kamerlingh Onnes die Verflüssigung von Helium bei 4,2 K (–268,95 °C). Dies markierte einen bedeutenden Meilenstein in der Geschichte der Kryotechnik. Später konnte Helium durch Druckabsenkung sogar auf etwa 3,2 K (–269,95 °C) abgekühlt werden.

• Kryogenes Einfrieren von Lebensmitteln

  Kryotechnik wird zur Konservierung von Lebensmitteln eingesetzt, indem flüssiger Stickstoff oder andere kryogene Flüssigkeiten verwendet werden, um Lebensmittel schnell einzufrieren. Dieser schnelle Schockfrost bewahrt die Zellstruktur der Lebensmittel und erhält deren Qualität, da die langsame Bildung von Eiskristallen verhindert wird. Diese Methode wird vor allem in der Lebensmittelindustrie genutzt, um frische Produkte für längere Zeit zu lagern, ohne deren Nährstoffe, Texturen oder Aromen zu verlieren.

• Kryochirurgie (Cryosurgery)

  Die Kryochirurgie nutzt extrem niedrige Temperaturen, um unerwünschtes oder krankhaftes Gewebe zu zerstören. Durch das Einfrieren der Zellen bilden sich Eiskristalle, die die Zellen zerstören und den Abbau des Gewebes herbeiführen. Diese Technik wird häufig zur Behandlung von Hautkrebs, gutartigen Tumoren und Warzen verwendet. Kryochirurgie gilt als minimal-invasive Methode, die weniger Nebenwirkungen und kürzere Heilungszeiten mit sich bringt.

• Magnetresonanztomographie (MRI) und Supraleitung

  Die Magnetresonanztomographie (MRI) erfordert extrem starke Magnetfelder, die durch supraleitende Magneten erzeugt werden. Diese Magneten müssen mit flüssigem Helium oder anderen kryogenen Flüssigkeiten gekühlt werden, da Supraleiter nur bei extrem niedrigen Temperaturen ihre besondere Fähigkeit entwickeln, Strom ohne Widerstand zu leiten. Kryotechnik ist daher entscheidend für den Betrieb moderner MRI-Scanner, die in der Medizin weit verbreitet sind.

• Kryotechnik in der Raumfahrttechnik

  In der Raumfahrttechnik wird Kryotechnik verwendet, um Raketen mit Flüssigtreibstoffen wie flüssigem Wasserstoff und flüssigem Sauerstoff zu versorgen, die bei extrem niedrigen Temperaturen gelagert werden müssen. Diese Treibstoffe ermöglichen es Raketen und Raumfahrzeugen, mit der nötigen Energie versorgt zu werden. Kryotechnik spielt auch eine Rolle bei der Kühlung von Raumfahrzeugen und der Schwebung in speziellen Experimenten im Weltraum.

• Kryotherapie (Cryotherapy)

  Kryotherapie bezieht sich auf die Anwendung extrem niedriger Temperaturen auf den menschlichen Körper zur Behandlung von Entzündungen, Schmerzen und zur Förderung der Heilung von Muskelverletzungen. Der Körper wird dabei entweder durch Eisbäder, Kältekammern oder gezielte Anwendungen von flüssigem Stickstoff extremer Kälte ausgesetzt. Die Therapie hilft, die Blutzirkulation zu verbessern, den Heilungsprozess zu beschleunigen und Muskelverspannungen zu lösen. Kryotherapie wird zunehmend in der Sportmedizin zur Schmerzlinderung eingesetzt.

• Kryoelektronik

  In der Kryoelektronik werden extrem niedrige Temperaturen verwendet, um die Elektronenbewegung in verschiedenen Materialien zu verbessern. Bei sehr niedrigen Temperaturen sinkt der elektrische Widerstand, wodurch Supraleiter ihre Fähigkeit verlieren, Widerstand gegen Strom zu leisten. Diese Technik hat Anwendungen in der Raumfahrt, in Teilchenbeschleunigern und in der Quantencomputing-Technologie, wo eine präzise Steuerung von elektrischen Strömen bei extrem niedrigen Temperaturen notwendig ist.

• Kryogenes Einfrieren von Blut und Gewebeproben

  Die Lagerung biologischer Proben, wie Blut oder Gewebeproben, ist ein weiteres wichtiges Anwendungsgebiet der Kryotechnik. Diese Proben werden bei extrem niedrigen Temperaturen eingefroren, um sie für spätere medizinische Untersuchungen oder Transfusionen zu bewahren. Dies ist besonders wichtig für die medizinische Forschung, da so Stammzellen, Blutbanken und Gewebeproben über lange Zeiträume aufbewahrt werden können, ohne dass ihre Qualität beeinträchtigt wird.

• Anwendungen in der In-vitro-Fertilisation (IVF)

  In der In-vitro-Fertilisation (IVF) wird Kryotechnik verwendet, um Eizellen, Spermien und Embryonen zu konservieren. Diese Proben werden durch kryogenes Einfrieren bei sehr niedrigen Temperaturen gelagert, um ihre Lebensfähigkeit für spätere Behandlungen zu erhalten. Kryotechnik spielt daher eine entscheidende Rolle bei der Fruchtbarkeitsbehandlung und ermöglicht es, diese Proben über längere Zeiträume hinweg zu lagern, ohne ihre Qualität zu beeinträchtigen.

• Supraleitung und Magnetische Anwendungen

  Kryotechnik wird zur Kühlung von Supraleitern verwendet, die in Anwendungen wie Magneten für Teilchenbeschleuniger, MRI-Scanner und Magnetische Levitation eingesetzt werden. Supraleiter sind Materialien, die bei extrem niedrigen Temperaturen keinen elektrischen Widerstand mehr aufweisen und daher ideale Voraussetzungen für starke Magnetfelder bieten. Diese Magnetfelder werden in der Medizin, Forschung und auch in modernen Transporttechnologien genutzt.

Kryogene Flüssigkeiten sind extrem kalte Substanzen, die besondere Sicherheitsvorkehrungen erfordern. Sie dürfen nur von Personen gehandhabt werden, die sich der potenziellen Gefahren und der spezifischen Eigenschaften dieser Flüssigkeiten bewusst sind. Unsachgemäßer Umgang kann schwerwiegende Verletzungen verursachen, darunter Erfrierungen, Schäden an Haut und Gewebe sowie Atemprobleme aufgrund von Sauerstoffmangel. Daher sind umfassende Sicherheitsmaßnahmen unerlässlich. Hier sind einige wichtige Vorsichtsmaßnahmen:

• Schutzausrüstung: Beim Umgang mit kryogenen Flüssigkeiten müssen geeignete Schutzausrüstungen getragen werden, darunter isolierte Handschuhe, Schutzbrillen, Gesichtsschilde und stabiles Schuhwerk. Zusätzlich sind thermisch isolierende Schutzkleidung und spezielle Kryoschutzanzüge erforderlich, um Kälteverbrennungen zu verhindern.

• Belüftung und Sauerstoffüberwachung: Kryogene Flüssigkeiten wie Flüssigstickstoff und Flüssigsauerstoff können die Sauerstoffkonzentration in geschlossenen Räumen gefährlich reduzieren und Erstickungsgefahr verursachen. Daher müssen Räume, in denen diese Flüssigkeiten verwendet oder gelagert werden, mit effektiven Belüftungssystemen und Sauerstoffüberwachung ausgestattet sein.

• Notfallmaßnahmen und Erste Hilfe: Alle Personen, die mit kryogenen Flüssigkeiten arbeiten, müssen die Notfallprotokolle kennen. Im Falle eines Unfalls müssen umgehend Erste-Hilfe-Maßnahmen eingeleitet werden, einschließlich der Entfernung kontaminierter Kleidung, der Versorgung von Erfrierungen und der sofortigen medizinischen Versorgung. Ein gutes Verständnis der Notfallmaßnahmen kann lebensrettend sein.

• Lagerung und Transport: Kryogene Flüssigkeiten müssen in speziell dafür vorgesehenen, isolierten Behältern, wie Dewargefäßen, gelagert werden. Diese verhindern die Verdampfung der Flüssigkeiten und beugen Gefahren durch Überdruck oder unbeabsichtigte Freisetzungen vor. Der Transport unterliegt strengen Vorschriften, um Umwelt- und Gesundheitsrisiken zu minimieren.

Der verantwortungsvolle Umgang mit kryogenen Flüssigkeiten erfordert eine gründliche Schulung, regelmäßige Sicherheitsinspektionen und die konsequente Anwendung von Schutzmaßnahmen, um potenzielle Gefahren zu minimieren und sicherzustellen, dass die Vorteile kryogener Technologien ohne unnötiges Risiko genutzt werden können.

Die Kryotechnik ist nicht nur ein bedeutendes technologisches Feld, sondern auch ein wichtiger Motor des Wirtschaftswachstums in verschiedenen Industriezweigen. Die Anwendungen der Kryotechnik eröffnen neue Märkte und bieten Potenzial für Innovation und Entwicklung in zahlreichen Sektoren. Zu den wichtigsten wirtschaftlichen Vorteilen gehören:

• Förderung von Innovationen in Hightech-Industrien: Der Einsatz der Kryotechnik hat neue Branchen wie die Quanteninformatik und Supraleitung hervorgebracht, die spezialisierte kryogene Lösungen erfordern und die Nachfrage nach entsprechenden Produkten und Dienstleistungen steigern.

• Wachstum in der Medizin- und Lebensmittelindustrie: Kryogene Verfahren wie die Konservierung von Zellen, Gewebe und Lebensmitteln ermöglichen längere Haltbarkeiten und neue Behandlungsmethoden, was Arbeitsplätze schafft und neue Geschäftsmöglichkeiten eröffnet.

• Ressourcenschonung und Effizienzsteigerung: In Bereichen wie der Lebensmittelaufbewahrung und medizinischer Forschung trägt die Kryotechnik dazu bei, Verluste zu reduzieren und Ressourcen effizienter zu nutzen, was sich positiv auf die Betriebskosten und die Wirtschaftlichkeit auswirkt.

Insgesamt hat die Kryotechnik das Potenzial, als Innovationsmotor für verschiedene Branchen zu fungieren und neue Arbeitsplätze und Märkte zu schaffen, die langfristig zur Stabilität und zum Wachstum der Weltwirtschaft beitragen.

Kryotechnik ist weit mehr als eine wissenschaftliche Disziplin der extrem niedrigen Temperaturen – sie ist heute ein Schlüsselbereich zahlreicher Industrien. Von der medizinischen Forschung und Behandlung über die Lebensmittelkonservierung bis hin zur Raumfahrt spielt sie eine zentrale Rolle bei der Entwicklung neuer Technologien und Lösungen.

Trotz ihrer zahlreichen Vorteile erfordert der Umgang mit Kryotechnik besondere Sicherheitsvorkehrungen, um Risiken zu minimieren. Die konsequente Umsetzung moderner Schutzmaßnahmen ist unerlässlich.

Zukünftige Forschungen und Entwicklungen in der Kryotechnik werden zweifellos noch spannendere Anwendungen und Lösungen hervorbringen. In Kombination mit anderen technologischen Fortschritten wird die Kryotechnik auch weiterhin ein unverzichtbares Instrument zur Bewältigung globaler Herausforderungen und zur Förderung von Innovationen darstellen.