Die Bedeutung der Kryotechnik

Kryotechnik wird auch als Tieftemperatur-, Kältetechnik oder Kryogenik bezeichnet und wird zur Erzeugung tiefer Temperaturen und zur Verwendung physikalischer Effekte bei tiefen Temperaturen angewandt. Dies ist bei der Trennung und der Verflüssigung von Gasen der Fall. Unterhalb circa -150 Grad Celsius liegt jener Temperaturbereich, welcher die Kältetechnik abdeckt. Technisch zugänglich sind solche Temperaturen von 195,8 Grad Celsius, dem Siedepunkt von Stickstoff, 20,4 Kelvin sowie 4,2 Kelvin (mit Helium).

Was ist Kryo- bzw. Kältetechnik?

Die Kryotechnik ist als die wissenschaftliche Untersuchung von Substanzen und des Verhaltens bei besonders niedrigen Temperaturen definiert. Die Bezeichnung wird generell im Zusammenhang mit Materialwissenschaften, Medizin und Physik verwendet. Wissenschaftler, welche die Kryotechnik studieren, werden Kryogenisten genannt.

Kryogenes Material wird als Kryogen genannt. Obwohl kältere Temperaturen mit jeder Skala angegeben werden können, werden die Rankine- und Kelvin-Skalen am häufigsten genutzt, da es sich dabei um unbeschränkte Gradmesser mit positiven Zahlen handelt.

Der kryogene Bereich ist jener Bereich, in welchem die Materialien bei sehr kalten Temperaturen gelagert, hergestellt, angewendet und transportiert werden. Extreme Kälte kann hierbei viele chemische Reaktionen auslösen. Dabei wechseln einige Substanzen durch die Kälte von der gasförmigen zur flüssigen Form oder können eine feste Form annehmen. Demaco ist dabei ein Experte auf dem Gebiet der Kältetechnik. Eine bekannte Flüssigkeit, welche bei Abkühlung den Aggregatzustand ändert, ist Wasser. Bei Temperaturen von 0 Grad Celsius verwandelt sich Wasser von einer Flüssigkeit in einen festen Stoff, welcher Eis genannt wird. Dabei handelt es sich allerdings nicht um Kryogenie. Erst dann, wenn Temperaturbereiche von -160 Grad Celsius oder tiefer erreicht werden, wird von Kryogenie gesprochen. Dies sind jene Temperaturen, bei welchen vor allem Gase verflüssigt werden; jene Technik wird in unterschiedlichen Industriebereichen eingesetzt.

Die Temperatur, welche zur Verflüssigung von Gasen notwendig ist, variiert zwischen den einzelnen Gasen. So verflüssigt sich zum Beispiel Sauerstoff bei Temperaturen von -183 Grad Celsius, während das Gas Helium eine Temperatur von wenigstens -269 Grad Celsius benötigt. Für die Sicherheit von Laboratorien und Kryobanken für die Kryokonservierung und Einrichtungen der Kryotechnik gibt es eine spezielle Kryo-Überwachungstechnik. Hierzu gehören vor allem Geräte zur Datenerfassung und -visualisierungen, und Einrichtungen zur Alarmierung.

Das Erreichen der Temperaturbereiche

Um die tiefen Temperaturen zu erreichen, sind hoch entwickelte Technologien notwendig. So werden meistens vier unterschiedliche Methoden zur Erzeugung der kryogenen Temperaturen verwendet:

Die Nutzung der Wärmeleitfähigkeit ist dabei die wohl bekannteste Methode. Dabei werden zwei Materialien oder Produkte in Verbindung gebracht. Dann überträgt sich die Wärme von dem wärmsten Produkt auf das kältere Objekt. Dies gilt ebenfalls für kryogene Temperaturen. Die sehr hohe Kälte wird übertragen, indem das Gas, ein Feststoff oder eine Flüssigkeit mit einer kryogenen Flüssigkeit in direkten Kontakt gelangt. Das Gas, der Feststoff oder die Flüssigkeit erreicht hierdurch ebenfalls die jeweilige kryogene Temperatur. Moleküle und Atome besitzen in flüssiger Form weniger Energie als im gasförmigen Zustand. Bei der Verdampfung von flüssigen Produkten erhalten die Moleküle oder Atome an der Oberfläche ausreichend Energie von der umgebenden Flüssigkeit, damit diese in den gasförmigen Zustand übergehen. Im Vergleich dazu behält die zurückbleibende Flüssigkeit weniger Energie, wodurch diese kälter wird. Bedingt durch die Induzierung der Verdampfung kann daher die Abkühlung der Flüssigkeit schnell erreicht werden.

Eine weitere Methode ist die Ausnutzung des Joule-Thomson-Effekts. Hierbei werden Gase durch eine schnelle Ausdehnung des Volumens oder einen schnellen Druckabfall gekühlt. Jene Methode wird oftmals bei der Verflüssigung von Helium oder Wasserstoff eingesetzt.

Die vierte Methode wird vor allem bei der Kühlung von flüssigem Helium verwendet und nutzt dabei paramagnetische Salze, damit die Wärme absorbiert werden kann. Die paramagnetischen Salze sind dabei eine bestimmte Anzahl kleiner Magnete, die, wenn diese in ein starkes Magnetfeld gebracht werden, Energie erzeugen. Durch die Aufnahme der Energie mit den Materialien aus dem Gas wird dieses immer kälter.

Die Bedeutung kryogener Flüssigkeiten

Kryogene Flüssigkeiten werden normalerweise in Geräten eingelagert, welche Dewar-Kolben genannt werden. Dabei handelt es sich um doppelwandige Behälter, welche zwischen den Wänden zur Isolierung ein Vakuum besitzen. Dewar-Kolben zur Nutzung mit extrem kalten Flüssigkeiten besitzen einen zusätzlichen Behälter zur Isolierung, welcher mit flüssigem Stickstoff gefüllt ist. Diese Falschen sind nach dem Entdecker James Dewar benannt worden. Durch diese Kolben kann das Gas aus dem Behälter desertieren, um zu verhindern, dass der Aufbau des Druckes kocht, welcher zu Explosionen führen kann.