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Criogenia
                                     

ⓘ Criogenia

La criogenia è una branca della tecnologia che riguarda lo studio, la produzione e lutilizzo di temperature molto basse. La criogenia ha avuto e continua ad avere una notevole importanza in fisica e in chimica. Letimologia della parola criogenia deriva dal greco κρύος + γονική, che significa "generazione di freddo", tuttavia il termine è sinonimo di stato a bassa temperatura.

Non è ben definito a che punto della scala della temperatura finisce la refrigerazione e dove inizia la criogenia. Il NIST, lagenzia federale USA che si occupa di tecnologie, ha scelto di considerare il campo della criogenia quello che riguarda temperature sotto i 93 K -179.85 °C. Questa è una scelta ragionevole, poiché i tipici punti di ebollizione dei gas comunemente chiamati criogenici sono al di sotto di 93 K, mentre i refrigeranti comuni quali il freon, lammoniaca hanno punti di ebollizione sopra i 93 K. Anche se altri autori considerano il limite a temperatura più alta 123 K.

La scoperta di nuovi materiali superconduttori con temperature critiche significativamente più alte del punto di ebollizione dellazoto liquido ha motivato un nuovo interesse per la produzione a basso costo di liquidi refrigeranti a più alta temperatura dellazoto liquido. Per questa ragione si è introdotta la definizione di criogenia ad alta temperatura che descrive temperature nellintervallo di temperature dal punto di ebollizione dellazoto liquido 77 K -196 °C fino a 223 K -55 °C.

In criogenia la scala Kelvin è comunemente usata invece di quella Celsius. La scala Kelvin usa lo zero assoluto come zero della scala e quindi 0 K equivalgono a -273.15 °C.

                                     

1. Definizioni e distinzioni

Criogenia la branca della fisica e ingegneria che si occupa dello studio delle temperature molto basse, come produrle e lo studio del comportamento dei materiali a tali temperature. Criobiologia la branca della biologia che studia leffetto delle basse temperature sugli organismi viventi, spesso allo scopo di conservarli criopreservazione. Di particolare interesse è la conservazione di materiale genetico per scopi riproduttivi. Criochirurgia la branca della chirurgia che si occupa di distruggere tessuti biologici anormali o malati. Crionica è una tecnica di conservazione mediante azoto liquido molto rapida per preservazione a basse temperature criopreservazione di uomini e animali, che la medicina non è ancora in grado di tenere in vita, con la speranza che in futuro sia possibile ripristinare le loro funzioni vitali e curarli. Nella stampa non scientifica tale tecnica spesso viene chiamata erroneamente criogenia.
                                     

2. Date importanti in criogenia

  • 1898 – James Dewar per la prima volta liquefa lidrogeno utilizzando una tecnologia innovativa: il raffreddamento rigenerativo.
  • 1908 – Heike Kamerlingh Onnes liquefa lElio.
  • 1895 – Carl von Linde deposita un brevetto per il ciclo Hampson–Linde per la liquefazione dellaria e altri gas: ma solo nel 1903 viene registrato.
  • 1951 – Heinz London propone il principio del refrigeratore a diluizione.
  • 1972 – D. M. Lee, R. C. Richardson and D. Osheroff trovano la superfluidità dellElio-3 a 0.002 K.
  • 1978 – D. Wineland e H. Dehmelt dimostrano la possibilità di fare raffreddamento laser.
  • 1877 – Raoul Pictet e Louis Paul Cailletet, contemporaneamente sviluppano due metodi per liquefare lossigeno
  • 1937 – Pyotr Leonidovich Kapitsa in Unione Sovietica e, John F. Allen con Don Misener nel Regno Unito scoprono la superfluidità dellElio-4 liquido a 2.2 K.
  • 1926 – Willem Hendrik Keesom ottiene lElio solido.
  • 1999 - Il record sulla più bassa temperatura è 100 picokelvins pK raffreddando gli spin nucleari in un campione di rodio
                                     

3. Applicazioni industriali

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Aria liquida, azoto liquido ed elio liquido sono usati in molte applicazioni criogeniche. Lazoto liquido è il liquido criogenico più economico e più usato, ed è abbastanza diffuso in tutto il mondo. Durante la guerra fredda, lelio liquido utilizzato per raggiungere le temperature più basse era considerato un materiale strategico e gli Stati Uniti non lo commercializzavano con i paesi alleati della Unione Sovietica.

Questi liquidi vengono conservati in speciali recipienti dewar, che sono dei contenitori con due pareti separate da alto vuoto. Il nome dewar deriva dal suo scopritore James Dewar che è colui che ha anche liquefatto per la prima volta lidrogeno. I tipici dewar di laboratorio sono con il fondo semisferico, spesso fatti in vetro e protetti nella parte esterna da un recipiente metallico. I dewar per lelio sono spesso realizzati con un doppio contenitore isolato: il più esterno contiene azoto liquido e linterno isolato lelio liquido. I dewar da trasporto per lelio sono oramai con un solo recipiente a doppia parete, ma lo spazio vuoto è riempito con sottilissimi fogli di mylar alluminato che viene comunemente chiamato super isolamento, che evitano luso di azoto liquido, grazie alla riduzione del calore irradiato che è la forma principale di ingresso termico attraverso le pareti.

Per trasferire i liquidi criogenici da un recipiente allaltro si usano dei particolari tubi isolati con vuoto detti tubi di trasferimento.



                                     

3.1. Applicazioni industriali Distillazione dellaria

La distillazione dellaria è stata forse la prima applicazione industriale della criogenia. Tutti i gas presenti nellaria possono essere liquefatti a pressione ambiente abbassandone la temperatura. La tabella che precede elenca le temperature di ebollizione dei vari gas presenti nellaria. Poi per distillazione frazionata vengono separati vari gas: prima lossigeno a 90.18 K, poi largon a 87.35 K e infine il residuo è azoto. I gas prodotti con questo metodo presentano molte impurità, e per alcune applicazioni necessitano di ulteriori processi di purificazione.

Si contendono il primato mondiale della produzione di tali gas poche società: la francese Air Liquide, le italiane SOL s.p.a. e la SIAD s.p.a., la tedesca Linde che ha acquistato la britannica The BOC Group e la statunitense Praxair, che controlla in Italia la Rivoira S.p.A.

                                     

3.2. Applicazioni industriali Processi criogenici

Il campo della criogenia migliorò durante la Seconda guerra mondiale, quando gli scienziati scoprirono che i metalli portati a bassissime temperature mostravano una maggiore resistenza allusura. Basandosi su questa teoria dellindurimento criogenico, Ed Busch fondò nel 1966 a Detroit unindustria commerciale dei criogeneratori: la Cryotech. Sebbene la Cryotech si unì successivamente con la 300 Below per creare la prima e più grande compagnia commerciale criogenica del mondo, essi originariamente sperimentarono la possibilità di aumentare la durata degli attrezzi metallici del 200-400% usando la tempra criogenica piuttosto della tempra a caldo. Usando azoto liquido, la Cryotech formulò la prima versione di un criogeneratore. Sfortunatamente per la Cryotech, i risultati furono instabili, poiché i componenti a volte subivano shock termici se raffreddati troppo velocemente. Alcuni componenti nei primi test addirittura si frantumarono a causa delle bassissime temperature. Negli ultimi anni la tecnologia sta migliorando e consegue risultati sempre più stabili.

Il processo di trattamento criogenico, non è un sostituto del trattamento termico, ma piuttosto una estensione del ciclo di indurimento dei materiali che prevede riscaldamento e rapido raffreddamento. Normalmente la temperatura finale è quella ambiente. La ragione è che più economico normalmente non avere impianti criogenici. Ma chiaramente avere come temperatura finale di 77 K ampia lintervallo del trattamento. Non tutte le leghe hanno la stessa composizione chimica per cui limportanza di tale trattamento dipende anche dalla storia termica e dalluso che si deve fare degli oggetti. Un processo di questo genere richiede spesso vari cicli caldo-freddo e può richiedere anche 4 giorni. Alcuni materiali che a temperatura ambiente sono soffici ed elastici gomme e plastiche ad esempio diventano duri e fragili a basse temperature, questo rende possibile la macinazione a freddo che in inglese viene chiamata con un nome specifico cryomilling.

                                     

3.3. Applicazioni industriali Combustibili criogenici

Un altro uso della criogenia sono i combustibili criogenici. Essenzialmente sono ossigeno e idrogeno, usati come carburanti nei missili anche se è più corretto identificare lossigeno come un comburente. Per esempio, lo space shuttle usa ossigeno e idrogeno criogenici come spinta principale per entrare in orbita, e anche i missili costruiti per il programma spaziale sovietico da Sergej Pavlovič Korolev. Ciò si trasformò nelloggetto del contendere con il suo rivale Valentin Glushko ingegnere anche lui, che affermava che i combustibili criogenici non erano pratici per grandi razzi come lo sventurato vettore N-1.

La russa Tupolev sta compiendo ricerche riguardo al suo progetto Tu-154 utilizzando combustibile criogenico, con la sigla Tu-155. Laereo usa gas naturale liquefatto o LNG, e ha compiuto il suo primo volo nel 1989.

                                     

3.4. Applicazioni industriali Trasporto di gas naturale

Il gas naturale è una delle principali fonti di energia fossile sfruttate, assieme al petrolio e al carbone. Presente in numerose aree del globo, per arrivare nelle aree di consumo può essere compresso o immesso in gasdotti, oppure liquefatto riducendo il suo volume di circa 600 volte e trasportato tramite navi metaniere. Questa seconda opzione è preferita per lunghi tragitti.

                                     

4.1. Altre applicazioni Tomografia a risonanza Magnetica

La tomografia a risonanza magnetica, indicata con lacronimo MRI, è una tecnica che necessita di campi magnetici stabili e particolarmente intensi che possono essere prodotti solo da magneti superconduttori. I magneti superconduttori utilizzati sono immersi in un bagno di elio liquido. Praticamente tutti i sistemi utilizzano superconduttori tradizionali. Tale applicazione molto diffusa in tutto il mondo occidentale ha reso molto diffuso lelio liquido.

                                     

4.2. Altre applicazioni Pompe criogeniche

Nei processi di crescita di film sottili, tipici della industria dei semiconduttori, ma anche dei laboratori di ricerca, si richiedono un vuoto spinto con pochi residui contaminanti come ossigeno e acqua. Le bassissime pressioni vengono raggiunte con un sistema a più stadi che ha come stadio finale molto spesso una criopompa che mantiene una superficie metallica a temperatura molto bassa circa 10 K in genere ricoperta da sostanze con elevato rapporto superficie volume per aumentare la portata di aspirazione. In genere questi sistemi sono molto efficienti per rimuovere i gas presenti nellaria acqua, ossigeno argon e azoto, meno efficiente per lidrogeno. Comunque gli ambienti in questione sono in genere molto piccoli, le macchine utilizzate hanno potenze refrigeranti di poche decine di W.

                                     

4.3. Altre applicazioni Sensori a Infrarossi

I sensori ad infrarossi comunemente chiamati bolometri, risultano molto più sensibili se funzionano a temperature criogeniche. Infatti tali dispositivi variano la loro temperatura per effetto della radiazione elettromagnetica che assorbono e per potere misurare la temperatura di un corpo nero debbono avere una temperatura più bassa del corpo nero stesso. Inoltre a bassa temperatura la loro capacità termica è molto più bassa e quindi diventano molto più veloci. Per raggiungere la migliore sensibilità sono tenuti anche a frazioni di K da 50 mK a 300 mK specialmente se usati in astronomia submillimetrica come nel Herschel Space Observatory e il James Clerk Maxwell Telescope, anche se più comunemente operano tra 4 e 100 K.

                                     

4.4. Altre applicazioni Crioconservazione

Liquidi criogenici, in genere azoto liquido, sono utilizzati per alcune applicazioni quali la conservazione di alcuni cibi e dei vaccini. Il processo nel caso dei vaccini è fatto immergendoli rapidamente in azoto liquido. I criogeni come lazoto liquido, sono inoltre usati per applicazioni di congelamento e di raffreddamento, ad esempio il congelamento di prodotti di biotecnologia. Alcune reazioni chimiche, come quella usata per produrre statina, devono avvenire a temperature di circa 172 K. Per conservare sangue di gruppi sanguigni particolarmente rari si usa mantenerli in azoto liquido.

                                     

4.5. Altre applicazioni Elettronica a bassa temperatura

Lelettronica tradizionale basata sulla fisica dei semiconduttori ha sicuramente alcuni vantaggi nellessere utilizzata a bassa temperatura, in particolare il rumore termico diminuisce linearmente con la temperatura. Ma in genere al di sotto di una certa temperatura che dipende dal drogaggio il numero dei portatori di carica diminuisce in maniera esponenziale e i semiconduttori si comportano come degli isolanti. I materiali superconduttori convenzionali che invece funzionano alle temperature criogeniche Elio liquido permettono di realizzare dispositivi con proprietà irrealizzabili con lelettronica convenzionale; lelemento di base di tali dispositivi è la giunzione Josephson e tra i dispositivi principali basati sulle giunzioni Josephson va sicuramente menzionato lo SQUID.

                                     

4.6. Altre applicazioni Contrazione termica

La criogenia con azoto liquido viene applicata a pezzi metallici per rimuovere ossidazioni e vernice, tale risultato viene ottenuto grazie alla capacità dellazoto liquido di contrarre la sostanza che ricopre tale pezzo metallico più delle sue dimensioni normali, in tale modo le sostanze da rimuovere si crepano e si gonfiano permettendo di eliminarle con più facilità.

                                     
  • Paideia Editrice, 1967, ISBN 978 - 88 - 394 - 0382 - 7. Acqua della vita Assunzione Criogenia Elisir di lunga vita Eternità Eviternità Morte Reincarnazione Resurrezione
  • governo Indonesiano. Third Echelon scopre che Saulnier è un laboratorio di criogenia che si trova a Parigi e che è stato attaccato da mercenari franco - siriani
  • funzioni vitali questo principio è alla base della scienza nota come criogenia La proposta di sottoporre gli astronauti all animazione sospesa è stata
  • principali: per ottenere atmosfere inerti, come liquido refrigerante in criogenia e come materia prima per tutti i composti azotati sintetizzati dall industria
  • colpo dal sonno criogenico, a causa di un malfunzionamento dei sistemi di criogenia e si fa largo tra i mutanti guidato dalla dottoressa Janice Polito, che
  • mummificazione in stile egiziana in cui è un esperto sia nel servizio di criogenia Soffre di una leggera balbuzie, che dà un impressione di insicurezza
  • possono individuare tre tipologie di sistemi che impiegano la condensazione criogenia Sistema semplice: utilizzata uno scambiatore di calore per realizzare
  • Superconductivity, vol. 7, no. 2, pp. 3134 1997 Analisi dei guasti Criogenia EN Progetto e applicazione di un microscopio SQUID a scansione, su neiu
  • estinte di recente, grazie a tessuti da esse prese tenuti in stato di criogenia La clonazione è diventata anche un opzione per far tornare in vita animali

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Dizionario

Traduzione

Criogenia: documenti, foto e citazioni nellEnciclopedia Treccani.

20 febbraio Messaggeri della conoscenza: Magneti superconduttori e criogenia, con Pier Paolo Granieri CERN. Raffreddamenti e criogenia Italiano SOL SpA. La criogenia è larte e la scienza di raggiungere temperature estremamente basse, da 150°C 283°F fino a quasi lo zero assoluto 273.15°C 459°F. Termosonda per criogenia con resistenza Newton Venezia, sistemi. Il corso si propone di fornire agli studenti le conoscenze di base indispensabili perla progettazione e lanalisi energetica e ambientale degli apparecchi e dei. Trasporto e stoccaggio di gas criogenici SIAD Macchine Impianti. Le lavorazioni criogeniche unalternativa efficiente, redditizia, e sostenibile alle lavorazioni tradizionale La criogenia è un nuovo passo nel.


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