Kryogenik (nicht zu verwechseln mit kryonik oder der Kryokonservierung von Menschen) ist der Zweig der Physik, der sich mit der Herstellung und dem Verhalten von Materialien bei Temperaturen zwischen -150 °C und -273 °C beschäftigt. Man könnte meinen, dass diese Temperaturen viel zu niedrig sind, um praktische Anwendungen zu finden. Doch die Anwendungen der Kryotechnik in unserer Gesellschaft sind vielfältig!
Bei Hunderten von Grad unter Null kommen die einzelnen Moleküle so weit wie theoretisch möglich zum Stillstand. Dies hat zur Folge, dass sich die Eigenschaften des Materials, das diesen Temperaturen ausgesetzt ist, wie Festigkeit, Wärmeleitfähigkeit, Verformbarkeit und elektrischer Widerstand, verändern.
Wo setzen wir bereits Kryotechnik ein?
Da kryogene Temperaturen in der Natur nicht vorkommen, werden sie hauptsächlich in der wissenschaftlichen Forschung eingesetzt. Die Ergebnisse dieser Studien haben zur Entdeckung verschiedener Anwendungen im täglichen Leben geführt. Einige davon ermöglichen es uns, Unbekanntes zu entdecken, andere ermöglichen es, Leben zu heilen und zu retten, und wieder andere dienen einfach der Unterhaltung. Schauen wir sie uns gemeinsam an.
Raketentreibstoff
Haben Sie schon einmal riesige weiße Wolken gesehen, die beim Start einer Rakete aufsteigen, und sich gefragt, woraus sie bestehen? Es gibt drei Hauptflüssigkeitstreibstoffe für Raketen und Raumfahrzeuge:
- Das erste ist Hydrazin, eine Verbindung aus flüssigem Stickstoff und Wasserstoff. Wasserstoff hat das geringste Molekulargewicht aller bekannten Stoffe und ist daher ideal, um das Gewicht einer Rakete relativ gering zu halten. Leider ist es aber auch ziemlich giftig.
- Die zweite Option ist RP1/LOX, eine Mischung aus Kerosin und flüssigem Sauerstoff. Es ist der beliebteste und billigste Kraftstoff und außerdem relativ umweltfreundlich.
- Die letzte Option ist LH2/LOX, eine Mischung aus Wasserstoff und Sauerstoff, die beide in flüssiger Form vorliegen. In Verbindung mit flüssigem Sauerstoff erzeugt Wasserstoff den effizientesten Schub aller Raketentreibstoffe. Flüssiger Wasserstoff ist sehr umweltfreundlich und hat einen um 30-40 % höheren spezifischen Impuls als die meisten anderen Raketentreibstoffe.
Die meisten dieser Elemente (Stickstoff, Wasserstoff, Sauerstoff) kommen in der Natur in gasförmigem Zustand vor. Erst wenn sie auf kryogene Temperaturen gebracht werden, verbinden sich ihre Moleküle zu einer Flüssigkeit.
Der Tank der Raumfähre ist mit über 500.000 Gallonen superkaltem Treibstoff beladen. Wenn die Flüssigkeiten gemischt und in den Brennkammern verbrannt werden, entsteht ein Gas unter hohem Druck. Dieses Gas, das in eine Richtung (zum Boden) ausgestoßen wird, bewirkt, dass die Rakete mit einer bestimmten Beschleunigung in die entgegengesetzte Richtung (in den Himmel) fliegt.
Verflüssigte natürliche Gase
Transport und Versorgung sind ein wichtiger Aspekt des Gasgeschäfts - die EU ist der weltweit größte Importeur von Erdgas (vor allem Methan).
Der Transport von Gasen von einem Land in ein anderes kann jedoch teuer und in einigen Fällen auch riskant sein. Für den Transport eines Gases ist eine unter Druck stehende Lagereinrichtung erforderlich, die bei Beschädigung explodieren oder ihren Inhalt in die Atmosphäre abgeben könnte.
Aus diesem Grund werden natürliche Gase in der Regel bei kryogenen Temperaturen abgekühlt, bis sie die Form von verflüssigten natürlichen Gasen (LNG) erreichen. Dies garantiert Sicherheit bei Lagerung und Transport.
Lebensmittelindustrie
Neben dem Transport von Gas in flüssiger Form ist die Verwendung kryogener Temperaturen eine wirtschaftliche Möglichkeit, Lebensmittel über lange Zeiträume zu transportieren und zu lagern. Aber warum sollte man so niedrige Temperaturen verwenden, wenn man Lebensmittel einfach einfrieren kann, indem man sie unter den Nullpunkt bringt?
Wenn Sie mit den folgenden Themen vertraut sind kryonikkennen, sollten Sie wissen, welche Schäden das Gefrieren im Gewebe verursacht. Eiskristalle, die sich bei Minusgraden bilden, beeinträchtigen benachbarte Moleküle. In der Lebensmittelindustrie verschlechtern sie die Qualität der Produkte, indem sie ihre Beschaffenheit verändern, wodurch sie oft wichtige Nährstoffe verlieren.
Um dieses Problem zu verringern, wird flüssiger Stickstoff verwendet. Die Lebensmittel werden in dieses verflüssigte Gas gesprüht oder getaucht, das mit den Lebensmitteln reagiert, mit denen es in Berührung kommt. Dadurch bilden sich kleine Kristalle, die das Lebensmittel verfestigen, ohne den Geschmack zu beeinträchtigen.
Besondere Effekte
Eine der wenig bekannten Anwendungen von kryogenen Gasen sind Spezialeffekte wie Rauch, Nebel und Dunst. Kryonebelmaschinen sind sehr beliebt, wenn es um geisterhafte Halloween-Effekte, Nachtclubs und Musikveranstaltungen geht. Sie werden in der Regel wegen ihrer kompakten Größe, ihres geringen Gewichts, ihrer starken Leistung, ihres geringen Geräuschpegels und ihrer einfachen Handhabung bevorzugt.
Verflüssigtes Gas bei kryogenen Temperaturen (meist Kohlendioxid) wird nur mit einer bestimmten Art von Nebelmaschine verwendet, die extrem niedrigen Temperaturen und hohem Druck standhält. Da verflüssigte natürliche Gase die Kühltemperaturen überschreiten, führt die Verwendung einer normalen Nebelmaschine zum sofortigen Einfrieren.
Medizin
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Kryotechnik im medizinischen Bereich mehrere Einsatzmöglichkeiten hat.
- Bei der Kryochirurgie friert der Arzt Krebszellen mit flüssigem Stickstoff ein, um das abnorme Gewebe zu zerstören. Unterhalb einer bestimmten Temperatur bilden sich Eiskristalle, die die Zelldichte verringern und den Tumor zerstören. Mit dieser Technik lassen sich u. a. Haut-, Prostata-, Gebärmutterhals- und Lebertumore behandeln.
- Flüssiges Helium wird häufig als kryogenes Kühlmittel für die Magneten beim MRT-Scannen verwendet. Die Flüssigkeit hat genau die richtige Temperatur, um das erforderliche Maß an Supraleitfähigkeit zu gewährleisten. Durch die Abkühlung der Magnete kann das Gerät Bilder des Patienten bei einer Temperatur von unter -269 °C erzeugen.
- Außerdem werden kryogene Temperaturen für die Kryokonservierung verwendet. Dabei handelt es sich um den Prozess der Konservierung von Zellen, Geweben und anderen biologischen Materialien durch Absenken der Kerntemperaturen auf Werte unter dem Gefrierpunkt (in der Regel -196 °C) ohne Eisbildung. Diese Technologie wird zur Konservierung von Geweben, Sperma, Eizellen, Organen und Menschen eingesetzt. Der Zweck der Kryokonservierung ist die zukünftige Erwärmung und Wiederbelebung.
kryonik aka Kryokonservierung von Menschen
Unter kryonik wird ein ganzer menschlicher Körper(oder nur der Kopf) bei kryogenen Temperaturen konserviert. Nachdem ein Patient rechtskräftig für tot erklärt wurde, sollte sofort mit der Kühlung begonnen werden, damit die Zellen (vor allem die des Gehirns) durch den Sauerstoffentzug nicht geschädigt werden. Sobald das Verfahren durchgeführt wurde, um den Körper in einen Zustand der Verglasung (bei etwa -120 °C) zu versetzen, werden alle biologischen Prozesse angehalten, und der Körper kann für eine unbestimmte Zeit konserviert werden. Wir wissen nicht, wie lange es dauern wird, bis die Medizintechnik so weit entwickelt ist, dass die Todesursachen beseitigt und die kryokonservierten Patienten wiederbelebt werden können.
Die Verwendung von mit flüssigem Stickstoff gefüllten Behältern, so genannten kryogenen Lagerungsdewars, ermöglicht eine einfache und wirtschaftliche Lagerung. Der Patient, der auf -196 °C gebracht und in den kryogenen Behälter gelegt wird, kann so lange wie nötig aufbewahrt werden. Der Dewar wird in regelmäßigen Abständen mit flüssigem Stickstoff aufgefüllt. Bei dieser Methode wird kein Strom benötigt, um die Patienten kryokonserviert zu halten. Dadurch sind die Patienten vor Stromausfällen geschützt und eine langfristige Wartung ist finanziell machbar.
Fazit
Die Kryotechnik hat eine breite Anwendung in unserem täglichen Leben. Die extrem niedrigen Temperaturen ermöglichen verschiedene Prozesse, wie z. B. die weltweite Versorgung mit Lebensmitteln oder die sichere Kryokonservierung eines Patienten für unbestimmte Zeit - was möglicherweise sein Leben rettet.
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