Criogenia

En física, la criogenia es la producción y el comportamiento de los materiales a temperaturas muy bajas.

El 13° Congreso Internacional de Refrigeración IIR (celebrado en Washington DC en 1971) aprobó una definición universal de “criogenia” y “criogenia” al aceptar un umbral de 120 K (o –153 °C) para distinguir estos términos de la refrigeración convencional. Esta es una línea divisoria lógica, ya que los puntos de ebullición normales de los llamados gases permanentes (como helio, hidrógeno, neón, nitrógeno, oxígeno y aire normal) se encuentran por debajo de -120 °C, mientras que los refrigerantes freón, hidrocarburos y otros refrigerantes comunes tienen puntos de ebullición superiores a −120 °C. El Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de EE. UU. considera el campo de la criogenia como el que involucra temperaturas por debajo de -180 ° C (93 K; -292 ° F).

El descubrimiento de materiales superconductores con temperaturas críticas significativamente por encima del punto de ebullición del nitrógeno líquido ha suscitado un nuevo interés en métodos fiables y de bajo coste para producir refrigeración criogénica a alta temperatura. El término "criogénico de alta temperatura" describe temperaturas que van desde por encima del punto de ebullición del nitrógeno líquido, -195,79 °C (77,36 K; -320,42 °F), hasta -50 °C (223 K; -58 °F).

Los criogenistas utilizan la escala de temperatura Kelvin o Rankine, las cuales miden desde el cero absoluto, en lugar de escalas más comunes como Celsius, que mide desde el punto de congelación del agua al nivel del mar, o Fahrenheit, que mide desde el punto de congelación de una solución de salmuera particular a el nivel del mar.

Definiciones y distinciones

CriogeniaLas ramas de la ingeniería que involucran el estudio de temperaturas muy bajas, cómo producirlas y cómo se comportan los materiales a esas temperaturas.CriobiologíaLa rama de la biología que involucra el estudio de los efectos de las bajas temperaturas en los organismos (la mayoría de las veces con el fin de lograr la crioconservación).Crioconservación de recursos zoogenéticosLa conservación de material genético con la intención de conservar una raza.CriocirugíaLa rama de la cirugía que aplica temperaturas criogénicas para destruir y matar tejidos, por ejemplo, células cancerosas.CrioelectrónicaEl estudio de los fenómenos electrónicos a temperaturas criogénicas. Los ejemplos incluyen la superconductividad y el salto de rango variable.criónicaCrioconservar humanos y animales con la intención de revivirlos en el futuro. "Criogénica" a veces se usa erróneamente para significar "Criogénica" en la cultura popular y la prensa.

Etimología

La palabra criogenia proviene del griego κρύος (cryos) - "frío" + γενής (genis) - "generar".

Fluidos criogénicos

Fluidos criogénicos con su punto de ebullición en kelvins.

Aplicaciones industriales

Los gases licuados, como el nitrógeno líquido y el helio líquido, se utilizan en muchas aplicaciones criogénicas. El nitrógeno líquido es el elemento más utilizado en criogenia y se puede comprar legalmente en todo el mundo. El helio líquido también se usa comúnmente y permite alcanzar las temperaturas más bajas posibles.

Estos líquidos pueden almacenarse en frascos Dewar, que son recipientes de doble pared con un alto vacío entre las paredes para reducir la transferencia de calor al líquido. Los matraces Dewar de laboratorio típicos son esféricos, hechos de vidrio y protegidos en un recipiente exterior de metal. Los matraces Dewar para líquidos extremadamente fríos, como el helio líquido, tienen otro recipiente de doble pared lleno de nitrógeno líquido. Los frascos Dewar llevan el nombre de su inventor, James Dewar, el hombre que licuó hidrógeno por primera vez. Las botellas termo son frascos de vacío más pequeños que se colocan en una carcasa protectora.

Las etiquetas de códigos de barras criogénicos se utilizan para marcar los matraces Dewar que contienen estos líquidos y no se congelan hasta los -195 grados centígrados.

Las bombas de transferencia criogénica son las bombas que se utilizan en los muelles de GNL para transferir gas natural licuado desde los buques metaneros a los tanques de almacenamiento de GNL, al igual que las válvulas criogénicas.

Procesamiento criogénico

El campo de la criogenia avanzó durante la Segunda Guerra Mundial cuando los científicos descubrieron que los metales congelados a bajas temperaturas mostraban más resistencia al desgaste. Sobre la base de esta teoría del endurecimiento criogénico, Ed Busch fundó en 1966 la industria de procesamiento criogénico comercial. Con experiencia en la industria del tratamiento térmico, Busch fundó una empresa en Detroit llamada CryoTech en 1966, que se fusionó con 300 Below en 1999 para convertirse en la empresa de procesamiento criogénico comercial más grande y antigua del mundo. Busch experimentó originalmente con la posibilidad de aumentar la vida útil de las herramientas de metal entre un 200 % y un 400 % de la vida útil original mediante el templado criogénico en lugar del tratamiento térmico. Esto evolucionó a fines de la década de 1990 hacia el tratamiento de otras partes.

Los criógenos, como el nitrógeno líquido, se utilizan además para aplicaciones especiales de refrigeración y congelación. Algunas reacciones químicas, como las que se usan para producir los ingredientes activos de las populares estatinas, deben ocurrir a bajas temperaturas de aproximadamente -100 °C (-148 °F). Se utilizan reactores químicos criogénicos especiales para eliminar el calor de reacción y proporcionar un entorno de baja temperatura. La congelación de alimentos y productos biotecnológicos, como las vacunas, requiere nitrógeno en sistemas de congelación por inmersión o de congelación rápida. Ciertos materiales blandos o elásticos se vuelven duros y quebradizos a temperaturas muy bajas, lo que hace que la molienda criogénica (criomolienda) sea una opción para algunos materiales que no se pueden moler fácilmente a temperaturas más altas.

El procesamiento criogénico no es un sustituto del tratamiento térmico, sino una extensión del ciclo de calentamiento-apagado-revenido. Normalmente, cuando se templa un elemento, la temperatura final es la ambiente. La única razón de esto es que la mayoría de los tratadores térmicos no tienen equipo de enfriamiento. No hay nada metalúrgicamente significativo acerca de la temperatura ambiente. El proceso criogénico continúa esta acción desde la temperatura ambiente hasta -320 °F (140 °R; 78 K; -196 °C). En la mayoría de los casos, el ciclo criogénico va seguido de un procedimiento de templado por calor. Como no todas las aleaciones tienen los mismos componentes químicos, el procedimiento de templado varía según la composición química del material, el historial térmico y/o la aplicación de servicio particular de una herramienta.

Todo el proceso toma de 3 a 4 días.

Combustibles

Otro uso de la criogenia son los combustibles criogénicos para cohetes con hidrógeno líquido como el ejemplo más utilizado. El oxígeno líquido (LOX) se usa aún más, pero como oxidante, no como combustible. El transbordador espacial, el caballo de batalla de la NASA, utilizó un propulsor criogénico de hidrógeno/oxígeno como su medio principal para entrar en órbita. LOX también se usa ampliamente con queroseno RP-1, un hidrocarburo no criogénico, como en los cohetes construidos para el programa espacial soviético por Sergei Korolev.

El fabricante de aviones ruso Tupolev desarrolló una versión de su popular diseño Tu-154 con un sistema de combustible criogénico, conocido como Tu-155. El avión utiliza un combustible denominado gas natural licuado o GNL, y realizó su primer vuelo en 1989.

Otras aplicaciones

Algunas aplicaciones de la criogenia:

• La resonancia magnética nuclear (RMN) es uno de los métodos más comunes para determinar las propiedades físicas y químicas de los átomos mediante la detección de la radiofrecuencia absorbida y la posterior relajación de los núcleos en un campo magnético. Esta es una de las técnicas de caracterización más utilizadas y tiene aplicaciones en numerosos campos. Principalmente, los fuertes campos magnéticos son generados por electroimanes de sobreenfriamiento, aunque hay espectrómetros que no requieren criógenos. En los solenoides superconductores tradicionales, se usa helio líquido para enfriar las bobinas internas porque tiene un punto de ebullición de alrededor de 4 K a presión ambiental. Se pueden usar superconductores metálicos baratos para el cableado de la bobina. Los llamados compuestos superconductores de alta temperatura se pueden convertir en superconductores con el uso de nitrógeno líquido, que hierve a alrededor de 77 K.
• La resonancia magnética nuclear (RMN) es una aplicación compleja de la RMN en la que la geometría de las resonancias se descompone y se utiliza para obtener imágenes de objetos mediante la detección de la relajación de los protones que han sido perturbados por un pulso de radiofrecuencia en el fuerte campo magnético. Esto se usa más comúnmente en aplicaciones de salud.
• En las grandes ciudades, es difícil transmitir energía por cables aéreos, por lo que se utilizan cables subterráneos. Pero los cables subterráneos se calientan y la resistencia del cable aumenta, lo que genera un desperdicio de energía. Los superconductores podrían usarse para aumentar el rendimiento de energía, aunque requerirían líquidos criogénicos como nitrógeno o helio para enfriar los cables que contienen aleaciones especiales para aumentar la transmisión de energía. Se han realizado varios estudios de factibilidad y el campo es objeto de un acuerdo dentro de la Agencia Internacional de Energía.

• Los gases criogénicos se utilizan en el transporte y almacenamiento de grandes cantidades de alimentos congelados. Cuando se deben transportar grandes cantidades de alimentos a regiones como zonas de guerra, regiones afectadas por terremotos, etc., deben almacenarse durante mucho tiempo, por lo que se utiliza la congelación criogénica de alimentos. La congelación criogénica de alimentos también es útil para las industrias de procesamiento de alimentos a gran escala.
• Muchas cámaras infrarrojas (infrarrojas con visión de futuro) requieren que sus detectores se enfríen criogénicamente.
• Ciertos grupos sanguíneos raros se almacenan a bajas temperaturas, como -165 °C, en bancos de sangre.
• La tecnología criogénica que utiliza nitrógeno líquido y CO ₂ se ha integrado en los sistemas de efecto de discoteca para crear un efecto escalofriante y una niebla blanca que se puede iluminar con luces de colores.
• El enfriamiento criogénico se utiliza para enfriar la punta de la herramienta en el momento del mecanizado en el proceso de fabricación. Aumenta la vida útil de la herramienta. El oxígeno se utiliza para realizar varias funciones importantes en el proceso de fabricación del acero.
• Muchos cohetes utilizan gases criogénicos como propulsores. Estos incluyen oxígeno líquido, hidrógeno líquido y metano líquido.
• Al congelar el neumático del automóvil o camión en nitrógeno líquido, el caucho se vuelve quebradizo y puede triturarse en pequeñas partículas. Estas partículas se pueden utilizar de nuevo para otros artículos.
• La investigación experimental sobre ciertos fenómenos físicos, como la espintrónica y las propiedades de magnetotransporte, requiere temperaturas criogénicas para observar los efectos.
• Ciertas vacunas deben almacenarse a temperaturas criogénicas. Por ejemplo, la vacuna Pfizer–BioNTech COVID-19 debe almacenarse a temperaturas de −90 a −60 °C (−130 a −76 °F). (Ver cadena de frío).

Producción

El enfriamiento criogénico de dispositivos y materiales generalmente se logra mediante el uso de nitrógeno líquido, helio líquido o un enfriador criogénico mecánico (que usa líneas de helio de alta presión). Los enfriadores criogénicos Gifford-McMahon, los enfriadores criogénicos de tubo de pulso y los enfriadores criogénicos Stirling se utilizan ampliamente con una selección basada en la temperatura base requerida y la capacidad de enfriamiento. El desarrollo más reciente en criogenia es el uso de imanes como regeneradores y refrigeradores. Estos dispositivos funcionan según el principio conocido como efecto magnetocalórico.

Detectores

Hay varios detectores criogénicos que se utilizan para detectar partículas.

Para la medición de temperatura criogénica hasta 30 K, se utilizan sensores Pt100, un detector de temperatura de resistencia (RTD). Para temperaturas inferiores a 30 K, es necesario utilizar un diodo de silicio para mayor precisión.