Criogenia

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

El XIII Congreso Internacional de Refrigeración del Instituto Internacional de Refrigeración (IIR) (celebrado en Washington, DC en 1971) respaldó una definición universal de "criogenia" y "criogénico" al aceptar un umbral de 120 K (−153,15  °C) para distinguir estos términos de la refrigeración convencional. ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]} Esta es una línea divisoria lógica, ya que los puntos de ebullición normales de los llamados gases permanentes (como el helio , el hidrógeno , el neón , el nitrógeno , el oxígeno y el aire normal ) se encuentran por debajo de 120  K, mientras que los refrigerantes Freón , los hidrocarburos y otros refrigerantes comunes tienen puntos de ebullición por encima de 120  K. ^{[ 5 ] [ 6 ]}

El descubrimiento de materiales superconductores con temperaturas críticas significativamente superiores al punto de ebullición del nitrógeno ha generado un nuevo interés en métodos fiables y de bajo coste para la producción de refrigeración criogénica de alta temperatura. El término "criogénica 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) . ^{[ 7 ]} El descubrimiento de las propiedades superconductoras se atribuye por primera vez a Heike Kamerlingh Onnes el 10 de julio de 1908, después de que lograran alcanzar una temperatura de 2 K. Estas primeras propiedades superconductoras se observaron en el mercurio a una temperatura de 4,2 K. ^{[ 8 ]}        

Los criogenistas utilizan la escala de temperatura Kelvin o Rankine , ambas con medición desde el cero absoluto , en lugar de escalas más comunes como Celsius , que mide desde el punto de congelación del agua a nivel del mar ^{[ 9 ] [ 10 ]} , o Fahrenheit , que mide desde el punto de congelación de una solución salina particular a nivel del mar. ^{[ 11 ] [ 12 ]}

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

Fluidos criogénicos con su punto de ebullición en Kelvin ^{[ 17 ]} y grados Celsius.

Imagen de catálogo de una válvula criogénica

Válvulas criogénicas in situ, fuertemente congeladas por la humedad atmosférica condensada.

Los gases licuados , como el nitrógeno líquido y el helio líquido , se utilizan en numerosas aplicaciones criogénicas. El nitrógeno líquido es el elemento más común en criogenia y su compra es legal en todo el mundo. El helio líquido también se usa con frecuencia y permite alcanzar las temperaturas más bajas posibles .

Estos líquidos pueden almacenarse en matraces 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 típicos de laboratorio son esféricos, de vidrio y están protegidos por 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 matraces Dewar reciben su nombre de su inventor, James Dewar , el hombre que licuó hidrógeno por primera vez . Los termos son botellas de vacío más pequeñas con una carcasa protectora.

Las etiquetas de código de barras criogénicas se utilizan para marcar los frascos Dewar que contienen estos líquidos y no se escarchan hasta los -195 grados Celsius. ^{[ 18 ]}

Las bombas de transferencia criogénica son las 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.

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 campos magnéticos intensos se generan mediante electroimanes superenfriados, aunque existen espectrómetros que no requieren criógenos. En los solenoides superconductores tradicionales, se utiliza helio líquido para enfriar las bobinas internas, ya que tiene un punto de ebullición de alrededor de 4 K a presión ambiente. Se pueden utilizar superconductores metálicos económicos para el cableado de las bobinas. Los denominados compuestos superconductores de alta temperatura pueden volverse superconductores mediante el uso de nitrógeno líquido, que hierve a unos 77 K.
• La resonancia magnética (RM) es una aplicación compleja de la resonancia magnética nuclear (RMN) en la que se deconvoluciona la geometría de las resonancias y se utiliza para obtener imágenes de objetos detectando la relajación de protones perturbados por un pulso de radiofrecuencia en un campo magnético intenso. Su uso más frecuente se da en aplicaciones médicas.
• La microscopía electrónica criogénica (crio-EM) es un método popular en biología estructural para dilucidar las estructuras de proteínas , células y otros sistemas biológicos. Las muestras se congelan rápidamente en un criógeno, como etano líquido enfriado con nitrógeno líquido, y se mantienen a la temperatura del nitrógeno líquido mientras se introducen en un microscopio electrónico para su observación. Los microscopios electrónicos también se enfrían con nitrógeno líquido.
• En las grandes ciudades, la transmisión de energía mediante cables aéreos es compleja , por lo que se utilizan cables subterráneos. Sin embargo, estos últimos se calientan y su resistencia aumenta, lo que conlleva una pérdida de energía. Los superconductores podrían utilizarse para aumentar la transmisión de energía, aunque requerirían líquidos criogénicos como nitrógeno o helio para enfriar cables con aleaciones especiales y así incrementar la potencia. Se han realizado diversos estudios de viabilidad y este campo es objeto de un acuerdo en el seno 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 o zonas afectadas por terremotos, es necesario almacenarlos durante un largo período, por lo que se utiliza la congelación criogénica. La congelación criogénica también resulta útil para las industrias de procesamiento de alimentos a gran escala.
• Muchas cámaras infrarrojas ( de infrarrojos de visión frontal ) requieren que sus detectores se enfríen criogénicamente.
• Ciertos grupos sanguíneos raros se almacenan a bajas temperaturas, como -165  °C, en los bancos de sangre.
• La tecnología criogénica, que utiliza nitrógeno líquido y CO2 _, se ha incorporado a los sistemas de efectos especiales de las discotecas para crear un efecto escalofriante y una niebla blanca que se puede iluminar con luces de colores.
• La refrigeración criogénica se utiliza para enfriar la punta de la herramienta durante el mecanizado en el proceso de fabricación . Esto aumenta la vida útil de la herramienta. El oxígeno se utiliza para realizar varias funciones importantes en el proceso de fabricación de acero.
• Al congelar un neumático de automóvil o camión en nitrógeno líquido, el caucho se vuelve quebradizo y se puede triturar en pequeñas partículas. Estas partículas se pueden reutilizar para otros fines.
• La investigación experimental sobre ciertos fenómenos físicos, como la espintrónica y las propiedades del magnetotransporte, requiere temperaturas criogénicas para que los efectos sean observables.
• Ciertas vacunas deben almacenarse a temperaturas criogénicas. Por ejemplo, la vacuna contra la COVID-19 de Pfizer-BioNTech debe almacenarse a temperaturas de −90 a −60 °C (−130 a −76 °F) . (Véase cadena de frío ). ^{[ 23 ]}  

La refrigeración criogénica de dispositivos y materiales se suele lograr mediante el uso de nitrógeno líquido , helio líquido o un criorefrigerador mecánico (que utiliza líneas de helio a alta presión). Los criorefrigeradores Gifford-McMahon , los criorefrigeradores de tubo de pulso y los criorefrigeradores Stirling son ampliamente utilizados, y su selección depende de la temperatura base y la capacidad de refrigeración requeridas. 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 .

Existen diversos detectores criogénicos que se utilizan para detectar partículas.

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

• Cero absoluto
• Temperatura más baja registrada en la Tierra
• Rectificado criogénico
• Congelación instantánea
• Alimentos congelados

• Haselden, GG (1971), Fundamentos criogénicos , Academic Press, Nueva York, ISBN 0-12-330550-0.