La criogenia (da non confondere con crionica o umana criopreservazione) è la branca della fisica che studia la produzione e il comportamento dei materiali a temperature comprese tra -150 °C e -273 °C. Si potrebbe pensare che queste temperature siano troppo basse per avere applicazioni pratiche. Eppure, gli usi della criogenia nella nostra società sono molteplici!
A centinaia di gradi sotto lo zero, le singole molecole si avvicinano il più possibile al completo arresto teorico. Il risultato è che le proprietà del materiale sottoposto a queste temperature, come la forza, la conducibilità termica, la duttilità e la resistenza elettrica, vengono alterate.
Dove si usa già la criogenia?
Poiché le temperature criogeniche non esistono in natura, sono utilizzate principalmente per la ricerca scientifica. I risultati di questi studi hanno portato alla scoperta di diverse applicazioni nella vita quotidiana. Alcune di queste ci permettono di scoprire l'ignoto, altre consentono di curare e salvare vite umane, altre ancora servono per il semplice intrattenimento. Vediamole insieme.
Carburante per razzi
Vi è mai capitato di vedere le enormi nuvole bianche che si sollevano durante il lancio di un razzo e di chiedervi di cosa siano fatte? Esistono tre principali propellenti liquidi per razzi e veicoli spaziali:
- Il primo è l'idrazina, un composto di azoto liquido e idrogeno. L'idrogeno ha il peso molecolare più basso di qualsiasi altra sostanza conosciuta, il che lo rende ideale per mantenere il peso di un razzo relativamente basso. Sfortunatamente, è piuttosto tossico.
- La seconda opzione è RP1/LOX, una miscela di cherosene e ossigeno liquido. È il carburante più popolare ed economico, oltre a essere relativamente ecologico.
- L'ultima opzione è LH2/LOX, una miscela di idrogeno e ossigeno, entrambi in forma liquida. Se combinato con l'ossigeno liquido, l'idrogeno crea la spinta più efficiente di qualsiasi altro propellente per razzi. L'idrogeno liquido è infatti altamente ecologico e fornisce un impulso specifico di circa il 30-40% superiore alla maggior parte degli altri combustibili per razzi.
La maggior parte di questi elementi (azoto, idrogeno, ossigeno) si trova in natura allo stato gassoso. Solo quando vengono portati a temperature criogeniche le loro molecole si legano per formare un liquido.
Il serbatoio dello Space Shuttle è caricato con oltre 500.000 galloni di propellente superfreddo. Quando i liquidi vengono mescolati e bruciati insieme nelle camere di combustione, producono un gas ad alta pressione. Questo, espulso in una direzione (il suolo), fa sì che il razzo voli con una certa accelerazione nella direzione opposta (il cielo).
Gas naturali liquefatti
Il trasporto e la fornitura sono un aspetto importante del settore del gas: l'UE è il più grande importatore di gas naturale (prevalentemente metano) al mondo.
Tuttavia, il trasporto di gas da un Paese all'altro può essere costoso e, in alcuni casi, rischioso. Il trasporto di un gas richiede apparecchiature pressurizzate conservazione che, se danneggiate, potrebbero esplodere o disperdere il contenuto nell'atmosfera.
Per questo motivo i gas naturali vengono solitamente raffreddati con l'uso di temperature criogeniche, fino a raggiungere la forma di gas naturale liquefatto (GNL). Questo garantisce la sicurezza per il sito conservazione e per il trasporto.
Industria alimentare
Oltre al trasporto di gas in forma liquida, l'uso di temperature criogeniche è un modo economico per trasportare e conservare gli alimenti per lunghi periodi di tempo. Ma perché usare temperature così basse quando si potrebbe semplicemente congelare il cibo portandolo sotto lo zero?
Se avete familiarità con crionica, dovreste essere ben consapevoli dei danni che il congelamento provoca ai tessuti. I cristalli di ghiaccio che si formano a temperature inferiori allo zero influenzano le molecole adiacenti. Nell'industria alimentare, degradano la qualità dei prodotti, modificandone la consistenza e spesso causando la perdita di importanti sostanze nutritive.
Per ridurre questo problema, si utilizza l'azoto liquido. Il cibo viene spruzzato o immerso in questo gas liquefatto, che reagisce con gli alimenti con cui viene a contatto. In questo modo si formano piccoli cristalli che lo solidificano senza alterarne il sapore.
Effetti speciali
Uno degli usi poco conosciuti dei gas criogenici è quello degli effetti speciali come fumo, nebbia e foschia. Le macchine per nebbia criogenica sono molto popolari quando si tratta di effetti spettrali per Halloween, discoteche e locali musicali. Sono solitamente preferite per le loro dimensioni compatte, il peso ridotto, la potenza di uscita, la bassa rumorosità e la facilità d'uso.
Il gas liquefatto a temperature criogeniche (principalmente anidride carbonica) viene utilizzato solo con un tipo specifico di macchina per nebbia in grado di resistere a temperature estremamente basse e pressioni elevate. Poiché i gas naturali liquefatti superano le temperature di refrigerazione, l'utilizzo di una macchina nebbiogena standard finisce per congelarli istantaneamente.
Medicina
Per concludere, la criogenia ha diversi impieghi in campo medico.
- Nella criochirurgia, il medico congela le cellule tumorali con azoto liquido per distruggere il tessuto anomalo. Al di sotto di una certa temperatura, si formano cristalli di ghiaccio che riducono la densità cellulare e distruggono il tumore. Questa tecnica può aiutare a trattare i tumori della pelle, della prostata, della cervice e del fegato, per citarne alcuni.
- L'elio liquido viene spesso utilizzato come refrigerante criogenico dei magneti utilizzati nella scansione MRI. Il liquido si trova alla temperatura giusta per fornire il livello di superconduttività richiesto. Il raffreddamento dei magneti consente alla macchina di generare immagini del paziente a una temperatura inferiore a -269°C.
- Inoltre, vengono utilizzate temperature criogeniche per ottenere criopreservazione. Si tratta del processo di conservazione di cellule, tessuti e altri materiali biologici mediante l'abbassamento della temperatura interna a livelli inferiori al congelamento (di solito a -196°C) senza la formazione di ghiaccio. Questa tecnologia viene utilizzata per conservare tessuti, sperma, ovuli, organi ed esseri umani. Lo scopo di criopreservazione è il riscaldamento futuro e rianimazione.
La crionica, ovvero la crioconservazione umana
Nel sito crionica, un intero corpo umano(o solo la testa) viene conservato a temperature criogeniche. Dopo che un paziente è stato dichiarato legalmente morto, il processo di raffreddamento deve iniziare immediatamente, in modo che la privazione di ossigeno non danneggi le cellule (soprattutto quelle del cervello). Una volta eseguita la procedura che consente al corpo di entrare in uno stato di vetrificazione (a circa -120°C), tutti i processi biologici vengono messi in pausa e il corpo può essere conservato per un tempo indefinito. Non sappiamo infatti quanto tempo ci vorrà prima che la tecnologia medica si sviluppi a sufficienza per curare le cause di morte e rianimare i pazienti di criopreservato .
L'uso di contenitori riempiti di azoto liquido, chiamati dewars criogenici conservazione , consente un facile ed economico conservazione. Il paziente, portato a -196°C e posto nel serbatoio criogenico, può essere tenuto in attesa per tutto il tempo necessario. Il dewar viene periodicamente riempito di azoto liquido. Con questo metodo, non è necessaria l'elettricità per mantenere i pazienti criopreservato. Ciò garantisce i pazienti contro le interruzioni di corrente e rende finanziariamente fattibile la manutenzione di a lungo termine .
Conclusione
La criogenia ha un'ampia applicazione nella nostra vita quotidiana. Le sue temperature estremamente basse consentono di svolgere diversi processi, come ad esempio consentire l'approvvigionamento di cibo in tutto il mondo o crioconservare in modo sicuro un paziente per un periodo di tempo indefinito, salvandogli eventualmente la vita.
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Informazioni sulla crionica
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