Criogénesis

En física , la criogenia es la producción y el comportamiento de materiales a temperaturas muy bajas .

El 13.º Congreso Internacional de Refrigeración del Instituto Internacional de Refrigeración (IIR) (celebrado en Washington DC en 1971) aprobó una definición universal de "criogenia" y "criogénico" al aceptar un umbral de 120 K (−153 °C) para distinguir estos términos de la refrigeración convencional. ^{[1] [2] [3] [4] Esta es una línea divisoria lógica, ya que los} puntos de ebullición normales de los llamados gases permanentes (como helio , hidrógeno , neón , nitrógeno , oxígeno y aire normal ) se encuentran por debajo de 120 K, mientras que los refrigerantes freón , los hidrocarburos y otros refrigerantes comunes tienen puntos de ebullición superiores a 120 K. ^{[5] [6]}

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]}

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.

Criobiología

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.}

Crioconservación de recursos genéticos animales

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]

Criocirugía

La rama de la cirugía que aplica temperaturas criogénicas para destruir y matar tejido, por ejemplo, células cancerosas. Comúnmente conocida como crioablación . ^[15]

Crioelectrónica

Estudio de los fenómenos electrónicos a temperaturas criogénicas. Entre los ejemplos se incluyen la superconductividad y los saltos de rango variable .

Criónica

Criopreservación de seres humanos y animales con la intención de revivirlos en el futuro. En la cultura popular y en la prensa, a veces se utiliza erróneamente el término "criogenia" para referirse a "criónica" . ^[16]

La palabra criogenia proviene del griego κρύος (cryos) – "frío" + γενής (genis) – "generar".

Fluidos criogénicos con su punto de ebullición en Kelvin ^[17] y grados Celsius.

Los gases licuados , como el nitrógeno líquido y el helio líquido , se utilizan en muchas aplicaciones criogénicas. El nitrógeno líquido es el elemento más utilizado en criogenia y se puede adquirir legalmente en todo el mundo. El helio líquido también se utiliza habitualmente y permite alcanzar las temperaturas más bajas posibles .

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]

Las bombas de transferencia criogénica son las bombas que se utilizan en los muelles de GNL para transferir gas natural licuado desde los transportadores de GNL a los tanques de almacenamiento de GNL , al igual que las válvulas criogénicas.

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 proceso completo tarda entre 3 y 4 días.

Otro uso de la criogenia es el de los combustibles criogénicos para cohetes, siendo el hidrógeno líquido el ejemplo más utilizado. El oxígeno líquido (LOX) se utiliza aún más, pero como oxidante , no como combustible. El transbordador espacial de la NASA, el caballo de batalla , utilizaba hidrógeno/oxígeno criogénico como su principal medio para entrar en órbita . El LOX también se utiliza ampliamente con el queroseno RP-1 , un hidrocarburo no criogénico, como en los cohetes construidos para el programa espacial soviético por Sergei Korolev .

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]

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 .

• 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.
• Algunas vacunas deben conservarse a temperaturas criogénicas. Por ejemplo, la vacuna contra la COVID-19 de Pfizer-BioNTech debe conservarse a temperaturas de entre −90 y −60 °C (−130 y −76 °F). (Véase cadena de frío .) ^[22]

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El enfriamiento criogénico de dispositivos y materiales se logra generalmente mediante el uso de nitrógeno líquido , helio líquido o un refrigerador criogénico mecánico (que utiliza líneas de helio a alta presión). Los refrigeradores criogénicos Gifford-McMahon , los refrigeradores criogénicos de tubo de pulso y los refrigeradores criogénicos Stirling se utilizan ampliamente y la selección se basa en la temperatura base requerida y la capacidad de enfriamiento. El desarrollo más reciente en criogenia es el uso de imanes como regeneradores y refrigeradores. Estos dispositivos funcionan según el principio conocido como efecto magnetocalórico .

Existen varios detectores criogénicos que se utilizan para detectar partículas.

Para la medición de temperaturas criogénicas de hasta 30 K, se utilizan sensores Pt100 y un detector de temperatura de resistencia (RTD) . Para temperaturas inferiores a 30 K, es necesario utilizar un diodo de silicio para mayor precisión.

• Cero absoluto
• La temperatura más baja registrada en la Tierra
• Molienda criogénica
• Congelación instantánea
• Comida congelada

• Haselden, GG (1971), Fundamentos criogénicos , Academic Press, Nueva York, ISBN 0-12-330550-0 .