Criogenia - Cryogenics

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 resfriador criogênico. O instrumento está na região 1 e seu cri resfriador está na região 3, em uma região mais quente da espaçonave. (ver MIRI (instrumento infravermelho médio) ou Telescópio Espacial James Webb )
Um depósito de guerra médio está sendo preenchido com nitrogênio líquido por um tanque de armazenamento criogênico maior

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

O 13º Congresso Internacional de Refrigeração IIR (realizado em Washington DC em 1971) endossou uma definição universal de “criogenia” e “criogênica” 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 ) estão abaixo de -120 ° C, enquanto os refrigerantes Freon , hidrocarbonetos e outros refrigerantes comuns têm pontos de ebulição acima de -120 ° C . O Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia dos Estados Unidos considera o campo da criogenia como aquele que envolve temperaturas abaixo de -180 ° C (93 K; -292 ° F).

A descoberta de materiais supercondutores com temperaturas críticas significativamente acima do ponto de ebulição do nitrogênio líquido proporcionou um novo interesse em métodos confiáveis ​​e de baixo custo de produção de refrigeração criogênica de alta temperatura. O termo "criogênico de alta temperatura" descreve temperaturas que variam de 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 criogênicos usam a escala de temperatura Kelvin ou Rankine , que mede 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 com seu zero em uma temperatura arbitrária.

Definições e distinções

Criogenia
Os ramos da engenharia que envolvem o estudo de temperaturas muito baixas, como produzi-las e como os materiais se comportam nessas temperaturas.
Criobiologia
O ramo da biologia que envolve o estudo dos efeitos das baixas temperaturas nos organismos (mais frequentemente com o propósito de alcançar a criopreservação ).
Crioconservação de recursos genéticos animais
A conservação do material genético com o intuito de conservar uma raça.
Criocirurgia
Ramo da cirurgia que aplica temperaturas criogênicas para destruir e matar tecidos, por exemplo, células cancerosas.
Crioeletrônica
O estudo de fenômenos eletrônicos em temperaturas criogênicas. Os exemplos incluem supercondutividade e salto de faixa variável .
Criónica
Criopreservando humanos e animais com a intenção de um futuro reavivamento. "Criogenia" às vezes é erroneamente usado para significar "Criônica" na cultura popular e na imprensa.

Etimologia

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

Fluidos criogênicos

Fluidos criogênicos com ponto de ebulição em Kelvin .

Fluido Ponto de ebulição (K)
Helium-3 3,19
Helium-4 4,214
Hidrogênio 20,27
Néon 27,09
Azoto 77,09
Ar 78,8
Flúor 85,24
Argônio 87,24
Oxigênio 90,18
Metano 111,7

Aplicações industriais

Válvula criogênica

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

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 cheio de nitrogênio líquido. Os frascos Dewar têm o nome de seu inventor, James Dewar , o homem que primeiro liquefeito o hidrogênio . As garrafas térmicas são frascos de vácuo menores encaixados em uma caixa protetora.

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

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

Processamento criogênico

O campo da criogenia avançou durante a Segunda Guerra Mundial, quando cientistas descobriram que metais congelados a baixas temperaturas apresentavam maior resistência ao desgaste. Com base nesta teoria de endurecimento criogênico , a indústria de processamento criogênico comercial foi fundada em 1966 por Ed Busch. Com experiência na indústria de tratamento térmico , Busch fundou uma empresa em Detroit chamada CryoTech em 1966, que se fundiu com a 300 Below em 1999 para se tornar a maior e mais antiga empresa de processamento criogênico comercial do mundo. Busch originalmente experimentou a possibilidade de aumentar a vida útil das ferramentas de metal para algo entre 200% e 400% da expectativa de vida original usando têmpera criogênica em vez de tratamento térmico. Isso evoluiu no final da década de 1990 para o tratamento de outras partes.

Os criogênios, como o nitrogênio líquido , são usados ​​posteriormente em aplicações especiais de resfriamento e congelamento. Algumas reações químicas, como aquelas usadas para produzir os ingredientes ativos dos medicamentos populares com estatinas , devem ocorrer a 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 de biotecnologia, como vacinas , requer nitrogênio em sistemas de congelamento rápido ou de imersão. Certos materiais moles ou elásticos tornam-se duros e quebradiços em temperaturas muito baixas, o que torna a moagem criogênica ( crio- fresagem ) 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-revenido. Normalmente, quando um item é temperado, a temperatura final é ambiente. A única razão para isso é que a maioria dos tratadores térmicos não possui equipamento de resfriamento. Não há nada metalurgicamente significativo na temperatura ambiente. O processo criogênico continua esta ação desde a temperatura ambiente até −320 ° F (140 ° R; 78 K; −196 ° C). Na maioria dos casos, o ciclo criogênico é seguido por um procedimento de têmpera a quente. Como todas as ligas não possuem os mesmos constituintes químicos, o procedimento de revenimento varia de acordo com a composição química do material, histórico térmico 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 usado, mas como um oxidante , não um combustível. NASA laborioso do Space Shuttle utilizado criogénico propulsor hidrogénio / oxigénio como seu principal meio de entrar em órbita . LOX também é amplamente usado com RP-1 querosene, um hidrocarboneto não criogênico, como nos foguetes construídos para o programa espacial soviético por Sergei Korolev .

O fabricante de aeronaves russo Tupolev desenvolveu uma versão de seu popular design 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 são equipados com sistemas de resfriamento 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 por meio da detecção da radiofrequência absorvida e do relaxamento subsequente dos núcleos em um campo magnético. Esta é uma das técnicas de caracterização mais comumente usadas e tem aplicações em vários campos. Primeiramente, os fortes campos magnéticos são gerados por eletroímãs de super-resfriamento, embora existam espectrômetros que não requerem criogênios. Nos solenóides supercondutores tradicionais, o hélio líquido é usado para resfriar as bobinas internas porque tem um ponto de ebulição de cerca de 4 K à pressão ambiente. Supercondutores metálicos baratos podem ser usados ​​para a fiação da bobina. Os chamados compostos supercondutores de alta temperatura podem ser super conduzidos com o uso de nitrogênio líquido, que ferve a cerca de 77 K.
  • A imagem de ressonância magnética (MRI) é uma aplicação complexa de NMR onde a geometria das ressonâncias é deconvoluída 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 aplicativos de saúde.
  • Nas grandes cidades, é difícil transmitir energia por cabos aéreos, então 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 produção de energia, embora exijam líquidos criogênicos, como nitrogênio ou hélio, para resfriar cabos especiais contendo ligas 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 grandes quantidades de alimentos devem ser transportadas para regiões como zonas de guerra, regiões atingidas por terremotos, etc., elas devem ser armazenadas por um longo tempo, então o congelamento criogênico de alimentos é usado. O congelamento criogênico de alimentos também é útil para indústrias de processamento de alimentos em grande escala.
  • Muitas câmeras infravermelhas (infravermelho voltado para a frente ) exigem que seus detectores sejam resfriados criogenicamente.
  • Certos grupos sanguíneos raros são armazenados em baixas temperaturas, como −165 ° C, em bancos de sangue.
  • A tecnologia criogênica usando nitrogênio líquido e CO 2 foi incorporada aos sistemas de efeito de boate para criar um efeito de refrigeração e névoa branca que pode ser iluminada com luzes coloridas.
  • O resfriamento criogênico é usado para resfriar a ponta da ferramenta no momento da usinagem no processo de fabricação . Aumenta a vida útil da ferramenta. O oxigênio é usado para desempenhar várias funções importantes no processo de fabricação do aço.
  • Muitos foguetes usam gases criogênicos como propelentes. Isso inclui oxigênio líquido, hidrogênio líquido e metano líquido.
  • Ao congelar o pneu do automóvel ou do caminhão em nitrogênio líquido, a borracha se torna quebradiça e pode ser esmagada em pequenas partículas. Essas partículas podem ser usadas novamente para outros itens.
  • Pesquisas experimentais sobre certos fenômenos físicos, como spintrônica e propriedades de magnetotransporte, requerem temperaturas criogênicas para que os efeitos sejam observados.
  • Certas vacinas devem ser armazenadas em temperaturas criogênicas. Por exemplo, a vacina Pfizer – BioNTech COVID-19 deve ser armazenada em temperaturas de −90 a −60 ° C (−130 a −76 ° F). (Veja rede de frio .)

Produção

Arrefecimento criogénico de dispositivos e materiais é geralmente conseguida através do uso de azoto líquido , hélio líquido , ou um cryocooler mecânica (que utiliza linhas de hélio de alta pressão). Uso espacial Gifford-McMahon, uso espacial tubo de impulso e uso espacial Stirling estão em vasta utilização com selecção com base na temperatura de base requerida e a capacidade de arrefecimento. O desenvolvimento mais recente em criogenia é o uso de ímãs como regeneradores e também como refrigeradores. Esses dispositivos funcionam segundo o princípio conhecido como efeito magnetocalórico .

Detectores

Existem vários detectores criogênicos que são usados ​​para detectar partículas.

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

Veja também

Referências

Leitura adicional