Kriogenika w zastosowaniach przemysłowych, medycznych i badawczych.

W niskich temperaturach ulegają zmianie liczne własności materiałów w tym biologicznych. Obecnie technologie kriogeniczne stają się szeroko stosowane zarówno w przemyśle jak medycynie, rolnictwie, przetwórstwie spożywczym i badaniach naukowych. W artykule przedstawiono w jaki sposób w temperaturach kriogenicznych zmieniają się własności materiałów i jak można praktycznie wykorzystać technologie kriogeniczne w różnych dziedzinach. Szczególną uwagę zwrócono na przemysł gazów technicznych, zastosowania medyczne, przetwórstwo i konserwacje żywności oraz badania naukowe. Omówione zostały niektóre perspektywiczne zastosowania kriogeniki i nadprzewodnictwa, nad którymi obecnie prowadzone są prace badawcze.

Pojęcie kriogenika

Słowo kriogenika pochodzi od słów greckich "kruos", co oznacza "zimno" i "genos" - "pochodzenie" lub "tworzenie". Pojęcie to stosuje się na określenie metod uzyskiwania i wykorzystywania temperatur niższych od 120 K, a dokładnie 111,1 K, tj. temperatury wrzenia metanu pod ciśnieniem normalnym. Temperatura wrzenia ciekłego metanu jest umowną granicą wyodrębniająca kriogenikę z chłodnictwa i zaproponowaną przez XIII Międzynarodowy Kongres Chłodnictwa w 1971 roku. W procesach uzyskiwania tak niskich temperatur w szczególny sposób uwidacznia się II Zasada Termodynamiki wprowadzająca asymetrię do skali temperatur i wskazująca na nieodwracalność pewnych fizycznych i chemicznych procesów. O ile temperatury wyższe od otoczenia mogą zaistnieć na Ziemi w sposób naturalny, np. na skutek uderzenia pioruna może zostać wzniecony pożar powodujący lokalny wzrost temperatury nawet do kilku tysięcy K, o tyle nigdy nie zaobserwowano spontanicznego skroplenia się powietrza nawet w najbardziej mroźny, zimowy dzień. Uzyskanie niskich temperatur zawsze związane jest z nakładem energii w postaci mechanicznej, elektrycznej, chemicznej lub magnetycznej.

Obecnie dostępne technologie kriogeniczne

Obecnie dostępne technologie pozwalają osiągnąć niskie temperatury rzędu 10-8 K (adiabatyczne rozmagnesowanie jąder miedzi), czy nawet 10-9 K (chłodzenie laserowe atomów obojętnych prowadzące do powstania kondensatu Bosego-Einsteina), jednak praktyczne znaczenie mają temperatury wyższe, uzyskiwane przez odparowanie skroplonych gazów pod ciśnieniem normalnym, równe np. 4,2 K dla helu, czy 77,4 K dla azotu.

Graniczna temperatura kriogeniczna

Przyjęcie jako granicznej temperatury kriogenicznej wartości 120 K jest oczywiście arbitralne i wynika z historycznego rozwoju kriogeniki, kiedy głównym celem badawczym tej dziedziny było uzyskanie w postaci ciekłej tzw. gazów trwałych (tabela 1), których nie można skroplić w procesie izotermicznego sprężenia, np. azotu, tlenu, wodoru i helu.

Początki kriogeniki

Początki kriogeniki sięgają roku 1877, kiedy prawie równocześnie, lecz niezależnie od siebie Cailletet we Francji i Pictet w Szwajcarii uzyskali przez kilka sekund temperaturę równą około 90 K i zaobserwowali przez krótki okres pary tlenu w postaci przelotnej mgły. Cailletet zastosował metodę rozprężenia gazu sprężonego w cylindrze do ciśnienia około 20 MPa i wykonującego pracę zewnętrzną, natomiast Pictet jedynie dławił tlen. W obu metodach sprężony gaz był wstępnie oziębiany do około 173 K. W niespełna rok później ci sami badacze uzyskali przez krótki okres czasu temperaturę około 77 K zastępując tlen azotem.

Pierwszeństwo pełnego skroplenia powietrza i jego składników przypadło w 1883 roku Karolowi Olszewskiemu i Zygmuntowi Wróblewskiemu, pracującym wówczas w Krakowie. Uczeni ci po raz pierwszy zastosowali metodę kaskadową polegającą na obniżeniu temperatury gazu poniżej temperatury jego punktu krytycznego, skropleniu go pod podwyższonym ciśnieniem i następnie odparowaniu pod ciśnieniem atmosferycznym lub niższym. Parujący gaz ochładzał następnie inny czynnik do temperatury poniżej punktu krytycznego. Wróblewski z Olszewskim użyli do przechłodzenia sprężonego powietrza etylen wrzący pod obniżonym ciśnieniem i uzyskali skroplone powietrze (78,8 K), a następnie w ten sam sposób tlen (90,2 K) i azot (77 K). Rekord zimna ustanowiony przez polskich badaczy wyniósł około 55 K i został osiągnięty przez odparowanie tlenu pod obniżonym ciśnieniem.

W roku 1898 James Dewar uzyskał skroplony wodór (20,3 K) w procesie izentalpowego dławienia sprężonego wodoru oziębionego do temperatury ciekłego powietrza. Aparat Dewara wykorzystywał naczynie o podwójnych ściankach, spomiędzy których usunięto powietrze, zwane dzisiaj naczyniem Dewara lub popularnie termosem. To właśnie wynalazek nowego typu izolacji - izolacji próżniowej - pozwolił Dewarowi na zgromadzenie ciekłego wodoru w dużej ilości i ustanowienie nowego rekordu zimna na poziomie 20,3 K.

Ostatni z grupy gazów trwałych - hel, o normalnej temperaturze wrzenia równej 4,2 K, został skroplony przez Heike Kamerlingh Onnesa w Lejdzie w 1908 roku. Kamerlingh Onnes zastosował proces izentalpowego dławienia po uprzednim ochłodzeniu sprężonego helu do temperatury ciekłego wodoru. Następnie dzięki obniżeniu ciśnienia nad lustrem wrzącego helu Kamerlingh Onnes uzyskał temperaturę 1,72 K w roku 1908 i tak niską jak 0,83 K w roku 1922. Dzięki rozwojowi pomp próżniowych, następca Kamerlingh Onnesa - Keesom, stosując wysoce wydajną pompę dyfuzyjną uzyskał temperaturę 0,71 K w roku 1932. Jest to w zasadzie najniższa temperatura jaką można uzyskać posługując się izotopem 4He. Stosując izotop helu 3 charakteryzujący się niższą normalną temperaturą wrzenia (3 K) można poprzez obniżanie ciśnienia obniżyć temperaturę do około 0,3 K.

Główne obszary zastosowań kriogeniki

Obecnie kriogenika jest stosowana w wielu dziedzinach techniki, nauki i medycyny, a jej szczególny charakter wynika przede wszystkim z następujących czynników:

• W sposób zdecydowany wzrasta przemysłowe wykorzystanie różnych gazów technicznych tj. tlenu, azotu, argonu, metanu (gazu ziemnego), wodoru, helu, neonu, kryptonu i innych w takich dziedzinach jak metalurgia, chemia, energetyka, techniki jądrowe i rakietowe, lotnictwo, rolnictwo, medycyna, przetwórstwo żywności i inne.
• W niskich temperaturach spada opór elektryczny, a niektóre materiały przechodzą do stanu nadprzewodnictwa. Po raz pierwszy nadprzewodnictwo zaobserwował Heike Kammerlingh Onnes w rtęci oziębionej do temperatury 4,2 K w 1911 roku. Od tego czasu zjawisko to stwierdzono w ponad tysiącu różnych substancji: metalach, stopach, związkach międzymetalicznych, przy czym przełomowe było odkrycie tzw. nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego w ceramikach w roku 1986. Nadprzewodniki wysokotemperaturowe mogą być ziębione ciekłym azotem i przewiduje się ich wykorzystanie w energetyce do wytwarzania nadprzewodnikowych linii przesyłu energii elektrycznej, transformatorów, ograniczników prądu, generatorów, a także silników i magnesów. Obecnie nadprzewodzące magnesy powszechnie stosuje się w tomografach wykorzystujących zjawisko rezonansu magnetycznego i stosowanych w diagnostyce medycznej.
• Obniżaniu temperatury ciał towarzyszy zmniejszanie ich entropii i w konsekwencji zanik wewnętrznych szumów. W praktyce prowadzi to do wykorzystania kriogeniki w takich dziedzinach jak radiokomunikacja, detektory podczerwieni i lasery.
• W niskich temperaturach zmieniają się własności plastyczne materiałów, z których większość przechodzi w stan kruchy. Pozwala to na stosowanie metod kriogenicznych w recyklingu.

Skraplanie i rozdział mieszanin gazowych

Zastosowanie metod kriogenicznych w przemyśle wytwarzającym gazy techniczne zaczęło się na przełomie wieku XIX i XX. W roku 1895 Carl von Linde po raz pierwszy zastosował na skalę przemysłową metodę skroplenia powietrza i następnie w roku 1902 jego rektyfikacji. W procesie skroplenia powietrza Linde wykorzystał zjawisko izentalpowego dławienia (Joulea-Thomsona) powietrza wstępnie oziębionego w rekuperacyjnym wymienniku ciepła - rysunek 1. Rozpoczęcie produkcji gazów technicznych (szczególnie tlenu) na skalę przemysłową umożliwiło szybki rozwój metalurgii i przemysłu maszynowego.

Medycyna [4-6]

Niskie temperatury w medycynie wykorzystuje się w leczeniu operacyjnym (kriochirurgia), rehabilitacji (krioterapia), a także pośrednio w diagnostyce medycznej (nadprzewodzące magnesy tomografów NMR wykorzystujących zjawisko rezonansu magnetycznego są kriostatowane ciekłym helem). Długotrwałe przechowywanie preparatów biologicznych nie byłoby możliwe bez użycia ciekłego azotu. Natomiast stosunkowo niska temperatura wrzenia oraz bakteriostatyczność dwutlenku węgla umożliwiła transport materiałów biologicznych (krew, organy), przyczyniając się do rozwoju transplantologii.

Określone przez lekarzy parametry zabiegów kriomedycznych (temperatura końcowa tkanki, czas zabiegu) wskazują na przydatność do zastosowań w urządzeniach kriomedycznych czynników roboczych o temperaturze wrzenia niższej od 200 K. W aparatach kriomedycznych stosowane są azot, podtlenek azotu N2O o normalnej temperaturze wrzenia 183,6 K oraz rzadziej dwutlenek węgla. W zabiegach kriomedycznych można wyróżnić krioterapię i kriochirurgię.

Krioterapia i kriostymulacja

Termin krioterapia lub kriostymulacja odnosi się do działań leczniczych mających na celu obniżenie temperatury powierzchni ciała w krótkim czasie 120-180 s. Działanie zimna nie powoduje destrukcji tkanek. Celem zabiegu krioterapeutycznego jest wywołanie i wykorzystanie fizjologicznych reakcji organizmu na zimno, a także wspomaganie leczenia podstawowego i ułatwienie leczenia ruchem. W celu pobudzenia układu obronnego cały organizm lub jego fragment poddaje się działaniu bardzo niskiej temperatury. Krioterapię dzieli się ze względu na rozległość oddziaływania niskiej temperatury na miejscową oraz ogólnoustrojową.

Krioterapia ogólnoustrojowa i ogólna

Krioterapia ogólnoustrojowa lub ogólna oznacza zabieg, któremu poddany jest cały organizm pacjenta. Krioterapeutyczne zabiegi ogólnoustrojowe wykonuje się w kriokomorach, w których lokalnie temperatura może być niższa od 120 K. Czas przebywania pacjenta w kriokomorze wynosi od 0,5 do 3 minut. Kriokomora jest pomieszczeniem o kubaturze rzędu 40 m3 podzielonym na dwie części - przedsionek i komorę właściwą (rys. 3). Przedsionek spełnia rolę pomieszczenia przejściowego, w którym utrzymuje się temperaturę na poziomie 240 K. W jego wnętrzu następuje adaptacja organizmów pacjentów do niskiej temperatury. Przedsionek stanowi barierę dla wilgoci stanowiącej jeden z podstawowych problemów eksploatacyjnych kriokomór. Wewnątrz komory właściwej utrzymuje się gradient temperatury powietrza od około 150 K na wysokości 60 cm do około 200 K na wysokości 170 cm nad podłogą. Obniżenie i utrzymanie temperatury w przedsionku oraz w komorze zapewniają lamelowe wymienniki ciepła zasilane ciekłym azotem. Powietrze oddechowe wtłaczane do pomieszczeń poddaje się procesowi oczyszczania z wilgoci i dwutlenku węgla oraz równoczesnemu oziębianiu w kriooczyszczalnikach.

Podczas miejscowego zabiegu krioterapeutycznego fragment ciała, np. staw, poddawany jest działaniu niskiej temperatury. Aparat do wykonywania miejscowych zabiegów krioterapeutycznych zasilany ciekłym azotem jest pokazany na rysunku 4, 5. Aparat składa się ze zbiornika ciekłego azotu o pojemności 35 dm3, głowicy azotowej, grzałki, elastycznego węża oraz układu sterowania. W izolowanym próżniowo zbiorniku z ciekłym azotem umieszcza się głowicę azotową wyposażoną w grzałkę. Zadaniem grzałki jest dostarczenie ciepła, które powoduje odparowanie ciekłego czynnika. Opary azotu kierowane są do elastycznego przewodu umożliwiającego ukierunkowanie ich strumienia na żądane miejsce. Temperatura nawiewanego azotu wynosi około 120 K.

Zabieg kriochirurgiczny

Zabieg kriochirurgiczny (kriodestrukcja) polega na miejscowym, kontrolowanym niszczeniu komórek objętych zmianami chorobowymi poprzez działanie na nie niskimi temperaturami. Zabiegi wykonuje się trzema metodami.

Metoda natryskowa

Zabieg metodą natryskową polega na aplikowaniu ciekłego czynnika bezpośrednio na powierzchnię tkanki. Rozpylona ciecz kriogeniczna odparowuje, obniżając temperaturę powierzchni skóry. Do jej zastosowania niezbędne jest wytworzenie ciśnienia w zbiorniku, z którego podawany jest kriogen - rys. 8.

Metoda kontaktowa

Zabieg metodą kontaktową wymaga zastosowania zamkniętego aplikatora (rys. 9). W jego przestrzeni przepływa ciekły czynnik, który odbierając ciepło odparowuje. Do tkanki przylega powierzchnia mrożąca przekazująca ciepło od tkanki do kriogenu. Zastosowanie aplikatora zamkniętego uniemożliwia bezpośredni kontakt kriocieczy z powierzchnią skóry.

W trakcie zabiegu kriochirurgicznego obserwuje się stopniowe narastanie kuli lodowej. Istotne jest odpowiednio długie prowadzenie zabiegu, w celu osiągnięcia pełnej martwicy chorej tkanki.

Autor: Maciej CHOROWSKI Źródło: Chłodnictwo & Klimatyzacja 2005/01