Criogenia

O nitrogênio é um líquido abaixo de -195.8 graus Celsius (77K).

Este é um diagrama de um telescópio espacial infravermelho, que precisa de um espelho frio e instrumentos. Um instrumento precisa ser ainda mais frio, e tem um criocooler. O instrumento está na região 1 e seu criocooler está na região 3 em uma região mais quente da sonda (veja MIRI (Mid-Infrared Instrument) ou James Webb Space Telescope).

Uma guerra de tamanho médio está sendo preenchida com nitrogênio líquido por um tanque de armazenamento criogênico maior.

Na física, criogenia é a produção e comportamento de materiais em temperaturas muito baixas.

O 13º Congresso Internacional de Refrigeração do IIR (realizado em Washington DC em 1971) endossou uma definição universal de "criogenia" e "criogênico" aceitando um limite de 120 K (ou –153 °C) para distinguir esses termos da refrigeração convencional. Esta é uma linha divisória lógica, uma vez que os pontos de ebulição normais dos chamados gases permanentes (como hélio, hidrogênio, néon, nitrogênio, oxigênio e ar normal) ficam abaixo de 120 K, enquanto os refrigerantes Freon, hidrocarbonetos e outros refrigerantes comuns têm pontos de ebulição acima de 120K. O Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia dos EUA considera o campo da criogenia como aquele que envolve temperaturas abaixo de -153 Celsius (120K; -243,4 Fahrenheit)

A descoberta de materiais supercondutores com temperaturas críticas significativamente acima do ponto de ebulição do nitrogênio proporcionou um novo interesse em métodos confiáveis e de baixo custo para produzir refrigeração criogênica de alta temperatura. O termo "criogênico de alta temperatura" descreve temperaturas que variam acima do ponto de ebulição do nitrogênio líquido, −195,79 °C (77,36 K; −320,42 °F), até −50 °C (223 K; −58 °F).

Os criogenistas usam a escala de temperatura Kelvin ou Rankine, ambas as quais medem a partir do zero absoluto, em vez de escalas mais usuais, como Celsius, que mede a partir do ponto de congelamento da água ao nível do mar ou Fahrenheit, que mede a partir do ponto de congelamento de um determinado solução salina ao nível do mar.

Definições e distinções

Criogênicos

Os ramos de engenharia que envolvem o estudo de temperaturas muito baixas (ultra baixa temperatura, ou seja, abaixo de 123 Kelvin), como produzi-los, e como os materiais se comportam nessas temperaturas.

Criobiologia

O ramo da biologia envolvendo o estudo dos efeitos das baixas temperaturas nos organismos (mais frequentemente com o objetivo de alcançar a criopreservação).

Conservação dos recursos genéticos animais

A conservação do material genético com a intenção de conservar uma raça.

Cryosurgimento

O ramo da cirurgia aplicando temperaturas criogênicas para destruir e matar o tecido, por exemplo, células cancerosas.

Cryoelectronics

Estudo de fenômenos eletrônicos em temperaturas criogênicas. Exemplos incluem supercondutividade e ajuste de gama variável.

Cryonics

Criopreservando humanos e animais com a intenção de reavivamento futuro. "Cryogenics" às vezes é usado erroneamente para significar "Cryonics" na cultura popular e na imprensa.

Etimologia

A palavra criogenia vem do grego κρύος (cryos) – "frio" + γενής (genis) – "gerando".

Fluidos criogênicos

Fluidos criogênicos com seu ponto de ebulição em kelvins e graus Celsius.

Aplicações industriais

Imagem de catálogo de uma válvula criogênica

Válvulas criogênicas em situ, com umidade atmosférica condensada

Gases liquefeitos, como nitrogênio líquido e hélio líquido, são usados em muitas aplicações criogênicas. O nitrogênio líquido é o elemento mais comumente usado em criogenia e pode ser adquirido legalmente em todo o mundo. O hélio líquido também é comumente usado e permite que as temperaturas mais baixas atingíveis sejam alcançadas.

Esses líquidos podem ser armazenados em frascos Dewar, que são recipientes de parede dupla com alto vácuo entre as paredes para reduzir a transferência de calor para o líquido. Os frascos Dewar típicos de laboratório são esféricos, feitos de vidro e protegidos em um recipiente externo de metal. Os frascos Dewar para líquidos extremamente frios, como o hélio líquido, têm outro recipiente de parede dupla preenchido com nitrogênio líquido. Os frascos Dewar receberam o nome de seu inventor, James Dewar, o homem que primeiro liquefez o hidrogênio. Garrafas térmicas são frascos a vácuo menores encaixados em um invólucro protetor.

As etiquetas de código de barras criogênicas são usadas para marcar os frascos Dewar contendo esses líquidos e não congelam até -195 graus Celsius.

As bombas de transferência criogênica são as bombas usadas nos píeres de GNL para transferir o gás natural liquefeito dos transportadores de GNL para os tanques de armazenamento de GNL, assim como as válvulas criogênicas.

Processamento criogênico

O campo da criogenia avançou durante a Segunda Guerra Mundial, quando os cientistas descobriram que os metais congelados a baixas temperaturas apresentavam maior resistência ao desgaste. Com base nessa teoria de endurecimento criogênico, a indústria de processamento criogênico comercial foi fundada em 1966 por Bill e Ed Busch. Com experiência na indústria de tratamento térmico, os irmãos Busch fundaram uma empresa em Detroit chamada CryoTech em 1966. Busch originalmente experimentou a possibilidade de aumentar a vida útil de ferramentas de metal para algo entre 200% e 400% da expectativa de vida original usando criogênico têmpera em vez de tratamento térmico. Isso evoluiu no final de 1990 para o tratamento de outras partes.

Os criogênicos, como o nitrogênio líquido, também são usados para aplicações especiais de resfriamento e congelamento. Algumas reações químicas, como aquelas usadas para produzir os ingredientes ativos das populares estatinas, devem ocorrer em baixas temperaturas de aproximadamente −100 °C (−148 °F). Reatores químicos criogênicos especiais são usados para remover o calor da reação e fornecer um ambiente de baixa temperatura. O congelamento de alimentos e produtos biotecnológicos, como vacinas, requer nitrogênio em sistemas de congelamento rápido ou congelamento por imersão. Certos materiais macios ou elásticos tornam-se duros e quebradiços em temperaturas muito baixas, o que torna a moagem criogênica (criomeração) uma opção para alguns materiais que não podem ser facilmente moídos em temperaturas mais altas.

O processamento criogênico não é um substituto para o tratamento térmico, mas sim uma extensão do ciclo de aquecimento-têmpera-revenimento. Normalmente, quando um item é resfriado, a temperatura final é a ambiente. A única razão para isso é que a maioria dos tratadores térmicos não possui equipamento de resfriamento. Não há nada metalurgicamente significativo sobre a temperatura ambiente. O processo criogênico continua esta ação da temperatura ambiente até −320 °F (140 °R; 78 K; −196 °C). Na maioria dos casos, o ciclo criogênico é seguido por um procedimento de revenimento térmico. Como todas as ligas não possuem os mesmos constituintes químicos, o procedimento de têmpera varia de acordo com a composição química do material, história térmica e/ou aplicação de serviço particular de uma ferramenta.

Todo o processo leva de 3 a 4 dias.

Combustíveis

Outro uso da criogenia são os combustíveis criogênicos para foguetes com hidrogênio líquido como o exemplo mais amplamente utilizado. O oxigênio líquido (LOX) é ainda mais amplamente utilizado, mas como oxidante, não como combustível. O ônibus espacial da NASA usava propelente criogênico de hidrogênio/oxigênio como seu principal meio de entrar em órbita. LOX também é amplamente utilizado com querosene RP-1, um hidrocarboneto não criogênico, como nos foguetes construídos para o programa espacial soviético por Sergei Korolev.

O fabricante russo de aeronaves Tupolev desenvolveu uma versão de seu popular projeto Tu-154 com um sistema de combustível criogênico, conhecido como Tu-155. O avião usa um combustível conhecido como gás natural liquefeito ou GNL, e fez seu primeiro voo em 1989.

Outras aplicações

Os instrumentos astronômicos no Very Large Telescope estão equipados com sistemas de refrigeração de fluxo contínuo.

Algumas aplicações da criogenia:

• A ressonância magnética nuclear (NMR) é um dos métodos mais comuns para determinar as propriedades físicas e químicas dos átomos, detectando a frequência de rádio absorvida e posterior relaxamento dos núcleos em um campo magnético. Esta é uma das técnicas de caracterização mais comumente usadas e tem aplicações em vários campos. Principalmente, os campos magnéticos fortes são gerados por eletroímanes super-refrigerantes, embora existam espectrômetros que não exigem criogens. Nos solenóides supercondutores tradicionais, o hélio líquido é usado para esfriar as bobinas internas porque tem um ponto de ebulição de cerca de 4 K na pressão ambiente. Os supercondutores metálicos baratos podem ser usados para a fiação da bobina. Os chamados compostos supercondutores de alta temperatura podem ser feitos para super conduta com o uso de nitrogênio líquido, que ferve em torno de 77 K.
• A ressonância magnética (RM) é uma aplicação complexa de RMN onde a geometria das ressonâncias é desconvoluída e usada para objetos de imagem, detectando o relaxamento de prótons que foram perturbados por um pulso de radiofrequência no campo magnético forte. Isso é mais comumente usado em aplicações de saúde.
• Em grandes cidades, é difícil transmitir energia por cabos suspensos, então os cabos subterrâneos são usados. Mas os cabos subterrâneos ficam aquecidos e a resistência do fio aumenta, levando ao desperdício de energia. Supercondutores podem ser usados para aumentar a taxa de transferência de energia, embora eles exigiriam líquidos criogênicos, como nitrogênio ou hélio para esfriar cabos contendo ligas especiais para aumentar a transmissão de energia. Vários estudos de viabilidade foram realizados e o campo é objeto de um acordo dentro da Agência Internacional de Energia.

Caminhão de entrega de gases criogênicos em um supermercado, Ypsilanti, Michigan

• Os gases criogênicos são usados no transporte e armazenamento de grandes massas de alimentos congelados. Quando as grandes quantidades de alimentos devem ser transportadas para regiões como zonas de guerra, regiões atingidas pelo terramoto, etc., devem ser armazenadas por um longo tempo, por isso é utilizada a congelação de alimentos criogênicos. O congelamento alimentar criogênico também é útil para indústrias de processamento de alimentos de grande escala.
• Muitas câmeras infravermelhas (forward looking infrared) exigem que seus detectores sejam resfriados criogenicamente.
• Alguns grupos sanguíneos raros são armazenados em baixas temperaturas, como −165 °C, em bancos de sangue.
• Tecnologia criogênica usando nitrogênio líquido e CO₂ foi construído em sistemas de efeito de discoteca para criar um efeito de refrigeração e nevoeiro branco que pode ser iluminado com luzes coloridas.
• O resfriamento criogênico é usado para esfriar a ponta da ferramenta no momento da usinagem no processo de fabricação. Aumenta a vida útil da ferramenta. O oxigênio é usado para executar várias funções importantes no processo de fabricação de aço.
• Muitos foguetes usam gases criogênicos como propelentes. Estes incluem oxigênio líquido, hidrogênio líquido e metano líquido.
• Ao congelar o pneu automóvel ou caminhão em nitrogênio líquido, a borracha é feita frágil e pode ser esmagada em pequenas partículas. Estas partículas podem ser usadas novamente para outros itens.
• Pesquisa experimental sobre certos fenômenos físicos, como spintronics e propriedades magnetotransport, requer temperaturas criogênicas para os efeitos a serem observados.
• Certas vacinas devem ser armazenadas em temperaturas criogênicas. Por exemplo, a vacina Pfizer-BioNTech COVID-19 deve ser armazenada a temperaturas de −90 a −60 °C (−130 a −76 °F). (Veja cadeia fria.)

Produção

O resfriamento criogênico de dispositivos e materiais geralmente é obtido por meio do uso de nitrogênio líquido, hélio líquido ou um crioresfriador mecânico (que usa linhas de hélio de alta pressão). Os crioresfriadores Gifford-McMahon, os crioresfriadores de tubo de pulso e os crioresfriadores Stirling são amplamente utilizados com seleção baseada na temperatura de base necessária e na capacidade de resfriamento. O desenvolvimento mais recente em criogenia é o uso de ímãs como regeneradores e também como refrigeradores. Esses dispositivos funcionam com base no princípio conhecido como efeito magnetocalórico.

Detetores

Existem vários detectores criogênicos que são usados para detectar partículas.

Para medição de temperatura criogênica até 30 K, são usados sensores Pt100, um detector de temperatura de resistência (RTD). Para temperaturas inferiores a 30 K, é necessário usar um diodo de silício para precisão.