Kriogeniko

El Vikipedio, la libera enciklopedio
Saltu al: navigado, serĉo

Kriogeniko estas branĉo de fiziko, kiu traktas la studon de la produktado kaj la uzon de tre malaltaj temperaturoj (sub -150 ° C aŭ 123 K), kaj la konduton de materialoj sub ĉi tiuj kondiĉoj.

Etimologio[redakti | redakti fonton]

Rezervujo kun varmizolantegaj parietoj (nomata vazo de Dewar aŭ simple deŭaro) enhavanta likvan nitrogenon.

La vorto kriogeniko laŭvorte (el greka lingvo κρύος [kryos], malvarmo, kaj γενεια [geneia], generado) signifas "produktadon de frosta malvarmo", sed la termino estas ankaŭ sinonimo de aro da instalaĵoj por tia produktado. Ne bone difinitas pri kiu punkto de la temperatura skalo frostigado finiĝas kaj kriogeniko komenciĝas. Sciencistoj ĉe la Nacia Instituto de Teknologiaj Normoj en Boulder (Koloradio) elektis konsideri la kampon de kriogeniko, kiu koncernas temperaturojn sub -180 °C (93.15 K). Tio ĉi estas racia divido, ĉar la tipaj punktoj de bolado de la komune uzataj gasoj (kiel heliumo, hidrogeno, neono, nitrogeno, oksigeno, kaj aero) restas tiel sub -180 °C, dum la frostiganta fluorklorkarbonhidrogenaĵoj aŭ frrostigantoj pri nekriogenikaj aplikoj havas bolpunktojn pli altajn ol -180 °C.

Industriaj aplikoj[redakti | redakti fonton]

La uzo de kriogeniko en moderna industrio disvastiĝas. Post eligo de la laboratorioj dum la 20-a jarcento por la distilado de aero, nun oni utiligas ĝin por specialaj metalurgiaj traktadoj, profitante ankaŭ de ĝiaj efikoj ligitaj al superkonduktiveco.

Sub atmosfera premo, la pli malalta temperaturo de pura gaso rilatas al heliumo, kiu likviĝas ĉe temperaturo je 4,22 K (= -268,93 °C).

Distilado de aero[redakti | redakti fonton]

La distilado de aero estis eble la unua industria apliko de kriogeniko. Ĉiuj gasoj de la aero povas esti likvigataj ĉe atmosfera premo per malsupreniro de iliaj temperaturoj. Per ĉi tiu procezo likviĝas unue oksigeno (kun likviga temperaturo 90,18 K = -182,97 °C), kaj poste nitrogeno (kun likviga temperaturo 77,35 K = -195,82 °C), ankaŭ likviĝas argono (kun likviga temperaturo 87,3 K =-185.8 °C). Apartigi gasojn obteneblas per distilado dank' al selekto de gasoj laŭ iliaj boltemperaturoj. La gasoj produktitaj de tiu metodo havas multajn malpuraĵoj, kaj por iuj aplikoj postulas purigadaj procezoj. Sekve ili estas konservataj en specialaj ujoj nomitaj vazoj de Dewar, pro la nomo de ĝia inventinto James Dewar, kiu estis la unua sukcesi likvigi hidrogenon. Tielmaniere la gasoj estas stokitaj sub volumenoj 750 foje ĝis 860 foje malpli grandaj ol sub gasa formo[1]. Nuntempe la jenaj firmaoj, kiuj produktas tiajn kriogenikajn fluidojn, ne estas multaj en la mondo: la germana Linde kiu aĉetis la BOC (Brita Kompanio pri Oksigeno), la franca Air Liquide, la nord- kaj sud-amerika Praxair, la usonaj Airproducts & chemicals kaj Airgas, la japana Nippon Sanso kaj la germana Messer grupo.

Transportado de natura gaso[redakti | redakti fonton]

Natura gaso estas grava fonto de fosiliaj energioj ekspluatataj nuntempe, kune kun nafto kaj karbo. Ĝi troviĝas en multaj areoj de la tera globo. Por alveni al la areoj de konsumo ĝi povas esti kunpremita (kunpremita natura gaso, KNG), aŭ metita en tubarojn, aŭ likvigita (reduktante ĝian volumenon je ĉirkaŭ 600 fojoj) kaj transportita per cisternoj. Ĉi tiu lasta eblo estas preferata por longaj vojaĝoj, sub la formo de likvigita natura gaso (LNG).

Kriopumpado[redakti | redakti fonton]

Specialaj prilaboradoj, precipe en la duonkonduktaĵxindustrio, postulas altan gradon de purecaj medioj, aŭ tre malaltajn premojn. Por atingi tiajn kondiĉojn, oni unue uzas vakuopumpilon, kiu suĉas (preskaŭ) la tutan aeron estantan en la medio, kaj poste aktivigas kriopumpilon, kiu senĉese malsupreniras la temperaturon de la restanta gaso, likvigante ĝin. Koncerne la frakcian distiladon, likviĝas unue oksigeno, kaj sekve argono kaj nitrogeno, sed ofte oni bezonas akiri per kondensado eĉ la iometan restantan hidrogenon (kun likviga temperaturo 20,27 K = -252,88 °C sub norma atmosfera premo). La maŝinoj por produkti ĉi tiun lastan gason ne estas tre efikaj, sed la demandoj pri ĝi per tia procezo estas ĝenerale malgrandaj.

Infraruĝaj sentiloj[redakti | redakti fonton]

La fotonaj detektiloj permesas la pli rapida respondotempo kaj la pli alta sentiveco (kompare al la termikaj detektiloj), sed kutime tiuj devas esti malvarmigitaj pro ĉirkaŭanta termika bruo; ju pli la temperaturo estas malalta, despli la termika bruo (kiu estas proporcia al la kvadrata radiko de la absoluta temperaturo) estas malalta, permesante detekti forajn etajn signalojn. Estas necese malvarmigi la sentilojn al kriogenikaj tempraturoj, tipe de 4 al 100 K. La materialoj en ĉi tiuj sentiloj estas duonkonduktaĵoj kun mallarĝaj bendbreĉoj. Incidaj IR fotonoj povas kaŭzi enen elektronikajn ekscitojn. Pri fotokonduktivaj detektiloj, la elektra rezistivo de la detektila elemento estas kontrolita. Fotovoltaikaj detektiloj enhavas pn-junton, sur kiu fotoelektra kurento aperas kiam ĝi estas submetita al lumo.

Elektra povuma transmisio en grandaj urboj[redakti | redakti fonton]

Estas malfacile transdoni elektran povon per aeraj kabloj en grandaj urboj, do subteraj kabloj estas uzataj. Sed subteraj kabloj hejtiĝas kaj la rezisto de la drato pliiĝas tiel malŝparante elektran povumon. Eblas uzi superkonduktantojn por pliigi transmision de elektra energio, kvankam tio postulas kriogenikajn likvaĵojn, kiel nitrogeno aŭ heliumo por malvarmigi kablojn el specialaj alojoj. Pluraj studoj de farebleco estis realigitaj, kaj tia kampo estas la temo de interkonsento ene de la Internacia Agentejo pri Energio (IAE).

Superkonduktiveco[redakti | redakti fonton]

Estas bone konata la rilato inter kriogenikaj kaj la fenomeno de superkonduktiveco. Ĉi tiu fenomeno estas ekspluatita industrie por la produktado de intensaj magnetaj kampoj per elektromagnetoj, precipe por partiklaj akceliloj uzataj en esploroj (ekz. koliziigiloj) kaj medicino (ekz. magneta resonanca bildigo). Ni devas mencii ankaŭ la studojn kaj prototipojn pri magnete levitaj trajnoj (maglevo) per alia fenomeno ligita al superkonduktiveco. Plie la disvolviĝo de «elektronikaj superkonduktantoj" promesas havi altrapidecon nekompareblan kun aliaj tradiciaj elektronikaj komponantoj.

Kriogenikaj procezoj[redakti | redakti fonton]

La kampo de kriogeniko plibonigitis dum la Dua mondmilito, kiam sciencistoj trovis, ke metaloj frostigitaj al malaltaj temperaturoj montris pli grandan reziston kontraŭ foruziĝo. Baziĝinte sur ĉi tiu teorio de kriogenika hardado, Ed Busch fondis dum 1966 en Detrojto komercan industrion pri kriogenikaj procezoj nomitan Cryo Tech. Cryo Tech aliĝis poste kun 300 Below kaj iĝis la unua plej granda kaj plej malnova komerca kriogenika kompanio en la mondo dum 1999. Busch origine eksperimentis kun la eblo de pliigi la daŭron de metalaj iloj de 200 ĝis 400%, uzante kriogenikan hardadon anstataŭ varmprilaboradon. Uzante likvan nitrogenon, Cryo Tech formulis la unuan version de krioproduktilo. Bedaŭrinde por Cryo Tech, la rezultoj estis malstabilaj, ĉar la komponantoj foje suferis termikan ŝokon, kiam ili estis tro rapide malvarmigitaj. Iuj komponantoj en fruaj provoj eĉ frakasiĝis pro la tre malaltaj temperaturoj. Dum la lastaj jaroj de 20-a jarcento, la teknologio plibonigis kun pli stabilaj rezultoj.

La kriogenikaj fluidoj, kiel likva nitrogeno, estas uzataj ankaŭ por aplikoj de malvarmigo kaj frostigo por transporto de nutraĵo. Ili ankaŭ permesas frostigadon de produktoj de biotekniko (vakcinoj inter aliaj). Iuj kemiaj reagoj, kiel tiuj uzataj por produkti statinon (kuracilo por malaltigi la nivelon de kolesterolo en organismo), devas okazi al temperaturoj je ĉirkaŭ 172 K.

Brulaĵoj[redakti | redakti fonton]

Alia uzo de kriogeniko estas kun kriogenikaj brulaĵoj. Estas esence oksigeno kaj hidrogeno, kiuj estas uzataj kiel brulaĵoj en misiloj (eĉ se estu pli precize identigi oksigenon kiel oksidiganton de hidrogeno). Ekzemple, la kosmopramo uzas kriogenikajn hidrogenon kaj oksigenon, en porta raketo por eniri orbiton, kaj tiuj kriogenikaj fluidoj estas uzataj en misiloj desegnitaj por la sovetia kosma programo de Sergej Korolov. Ĉi tio iĝis la subjekto de diskutado kun lia rivalo Valentín Glushkó, inĝeniero ankaŭ, kiu deklaris ke kriogenikaj brulaĵoj ne estis oportunaj por grandaj lunraketoj kiel N1, kiu finfine uzis miksaĵo keroseno/likva oksigeno.

La rusa manufakturo Tupolev disvolvis alian version de sia populara desegno Tu-154, per uzo de kriogenika brulaĵo por la Tu-155. Ĉi tiu aviadilo uzis likvigitan naturan gason (aŭ LNG), kaj plenumis sian unuan flugon en 1989.

Aliaj uzoj[redakti | redakti fonton]

Kriogenikaj temperaturoj estas pli kaj pli uzataj en medicino por krioĥirurgio kaj krikonservado (aparte de rara sango).

Referencoj[redakti | redakti fonton]

Vidu ankaŭ[redakti | redakti fonton]