Kriogenia

Kriogenia oso tenperatura hotzak lortzeko teknikak eta oso tenperatura hotzetan izaten den jokaera aztertzen dituen fisikaren alorra da. Ez da hitzartu gaineko mugarik tenperatura kriogenikoentzat, baina Estatu Batuetako Eredu eta Teknologia Institutu Nazionalak kriogenia hitza –150 °C (123 °K)-tik beherako tenperaturei aplikatzea aholkatzen du. Zientzialari batzuentzat oxigenoaren isurkari bihurtzeko puntu normala (-183 °C) da gaineko muga. Isurkari lurrunkorren lurruntze azkarraren bidez edo 150-200 atmosfera bitarteko presiopean dauden gasen hedatzearen bidez lortzen dira tenperatura kriogenikoak. Hedatzea soila izan daiteke, presio txikiagoko ganberaren batekin komunikatzen duen balbula baten bidezkoa, edo aldizkako motor bateko zilindro batean gerta daiteke, gasak motorraren pistoia bultza dezan.

Bilakaera historikoa 
Behe tenperaturetako fisikari buruzko lehenbiziko lanak Humphry Davy eta Michael Faradayk egin zituzten 1823 eta 1845 bitartean: gasak sortu zituzten nahastura bat alderantziz jarritako V baten itxurako hodi itxi baten muturrean berotuz. Hodiaren beste muturra izotz eta gatz artean sartuta zegoen, hozteko. Behe tenperaturen eta presio garaien nahasketak isurkari bihurtzen zuen gasa. Hodia irekitzean, isurkaria berehala lurruntzen zen, eta irakite tenperatura normalera iristeraino hozten zen. Karbono dioxido solidoaren eta eterraren nahastura presio txikitan lurrunduz, Faradayk 163 °K (-110 °C) inguruko tenperatura lortu zuen. Gas bat, tenperatura moderatuan, balbula batetik zehar hedatzen bada, haren tenperatura handitu egiten da. Baina haren hasierako tenperatura alderanzketa tenperatura deitua baino txikiagoa bada, hedadurak tenperatura beheratzen du: Joule-Thomson efektua esaten zaio horri. Hidrogenoaren eta helioaren –gas kriogeniko nagusietako bi– alderanzketa tenperaturak oso-oso apalak dira, eta haien tenperatura gasaren hedaduraz beheratuko bada, alderanzketa tenperatura bera baino gehiago hoztu behar dira lehenbizi: [[hidrogenoa aire isurkariz eta helioa hidrogeno isurkariz. Oro har, metodo horrek ez du gas guztia kolpetik isurkari bihurtzen, baina saioa behin eta berriro errepikatuz, Louis Paul Cailletet fisikari frantsesak eta Raoul Pierre Pictet fisikari suitzarrak, zeinek bere aldetik, oxigeno isurkarizko tanta batzuk lortu zituzten 1877an. Ikertzaile haien aurkikuntzak edozein gas isurkari bihurtzeko aukera eskaini zuen handik aurrera. Heike Kamerlingh Onnes fisikari holandarrak aire isurkaria produzitzeko lehen lantegia sortu zuen 1894an. Hurrengo 40 urteetan, Britainia Handia, Frantzia, Alemania eta Errusiako ikertzaileek zenbait hobekuntza egin zituzten. 1898an, James Dewar britainiar kimikariak hidrogeno isurkaria lortu zuen, eta 1908an Kamerlingh Onnesek helio isurkaria (isurkari bihurtzen zailena).

Desmagnetizazio adiabatikoa 

Helio isurkaria presio txikitan lurruntzeak 0,7 °K (-272,45 °C)-rainoko tenperaturak sortzen ditu. Are tenperatura txikiagoak lor daitezke desmagnetizazio adiabiatikoaren bidez. Prozesu horretan eremu magnetiko bat sortzen da helio isurkarian jarritako gai paramagnetiko baten inguruan. Eremuak espin elektronikoak lerrokatzen ditu. Deskonektatzean, espinek zeinek bere ausazko norabidea hartzen dute eta lagin osoaren energia termikoa txikitzen dute. Horrela, 0,002 °K graduraino ere beheratzen da tenperatura. Modu berean, espin nuklearren lerrokatzeak eta gero eremu magnetikoa deskonektatzeak 0,00001 °K inguruko tenperaturak sortu ditu. Dewar ontziek edo termoek tenperatura kriogenikoak dituzten isurkariak gordetzeko ahalmena dutela frogatu dute. Termo horiek bi ontzi dituzte, bata bestean sartuta, eta bi ontzien artean hutsunea egindako tarte bat dago. Barruko ontziaren kanpoaldea eta kanpoko ontziaren barrualdea geruza bakartzaile batez estalita daude, beroa irraden bidez hutsunea igaro dezan eragozteko. Aire isurkaria baino gai hotzagoak ezin dira Dewar ontzietan erabili, airea laginean kondentsatuko litzatekeelako edo tapoi solido bat eratuko litzatekeelako, eta tapoiak askatzen diren lurrunei irteten eragotziko liekelako; lurrunak pilatu eta ontzia hautsiko lukete. Eremu kriogeniko batean tenperatura hartzea ez da erraza. Horretarako erabiltzen den bide bat hidrogeno edo helio kopuru jakin baten presioa neurtzea da; baina metodo horrek huts egiten du tenperaturarik apalenetan. Helio 4aren (edo helio 3aren) lurrunaren presioa erabiltzeak hobetu egiten du aurreko prozedura. Metalen edo erdieroaleen ezaugarri magnetikoak edo [[erresistentzia elektrikoa zehazteak, are gehiago handitzen du tenperatura neurgarrien eskala.

Ezaugarri aldaketak 
Tenperatura kriogenikoetan, material askoren portaera aldatu egiten da. Merkurioa gotortu egiten da, eta goma beira bezain hauskor bihurtzen da. Gasen eta isurkarien bero espezifikoa apaltzen da, quantumen teoriaren iragarpenak berresteko moduan. Metal eta metaloide askoren erresistentzia elektrikoa –ez guztiena, hala ere– kolpetik jaisten da zerora kelvin gutxiko tenperaturan. Supereroale bihurtzeraino hoztutako eraztun metaliko batean korronte elektrikoa sartzen bada, korronteak eraztunean segitzen du handik ordu batzuetara ere. Material supereroale batek korronteari eusteko duen ahalmenari esker, tenperatura apal horietan dabiltzan ordenagailuetako memorien modulu esperimentalak diseinatu izan dira. Harrigarria da helio 4aren portaera tenperatura apaletan, bi gauzetan batez ere. Isurkari izaten segitzen du ahalik eta gehien hoztuta ere, 25 atmosferatik gorako presioa behar da helio 4a solido bihurtzeko. Gainera, helio 4 isurkaria, 2,17 °K (-270,98 °C)-tik behera, superjariakin bihurtzen da. Egoera horretan, helio 4aren likatasuna ia hutsa da. Geruza bat eratzen du ontziaren gainaldean eta erresistentziarik gabe isurtzen da. Helio 3a ere superjariakina izan daiteke, baina 0,00093 kelvin graduko tenperaturaz behera betiere.

Erabilerak 

Kriogeniak industrian dituen erabilera askoren artean aipagarria da oxigenoa eta nitrogenoaren handizkako produkzioa, airetik abiatuta. Oxigenoa gauza askotarako erabiltzen da, koheteen motorretan, labe garaietan, ebakitzeko zein soldatzeko gailuetan, edota espazio ontzietan edo itsaspekoetan arnasa hartzerik izateko. Nitrogenoa, berriz, ongarrietako amoniakoa egiteko erabiltzen da, edo elikagaiak azkar-azkar izozteko, zelula ehunei suntsitzeko betarik eman gabe; hozkailuetan eta elikagai izoztuen garraioan ere nitrogenoa erabiltzen da. Kriogeniari esker, bestalde, gas naturala isurkari gisa garraia daiteke. Kriogeniarik gabe, ikerkuntza nuklearrak ez zukeen hidrogeno eta helio isurkaririk izango partikulak detektatzeko. Irrada infragorriek eta laserrek ere tenperatura kriogenikoak behar izaten dituzte. Parkinsoen eritasuna sendatzeko kirurgia kriogenikoa edo kriokirurgia erabiltzen da: ehuna suntsitzen da, zunda kriogeniko txiki batez izoztuz. Horren antzeko teknikak erabiltzen dira, baita ere, garuneko tumoreak suntsitzeko eta umetokiaren lepoko minbiziaren hedadura gerarazteko.

Erreferentziak

Kanpo estekak 

Fisika aplikatua
Termodinamika
Hotza
Gas industrialak
Hozte-teknologia