קריוגניקה

בפיזיקה, קריוגניקה היא הייצור והמחקר של התנהגות של חומרים בטמפרטורות נמוכות מאוד.

הקונגרס הבינלאומי לקירור ה-13 של  (שנערך בוושינגטון די.סי. ב-1971) אישר הגדרה אוניברסלית של "קריוגניקה" ו"קריוגנית" על ידי קבלת סף של K 120 (או C° 153-) כדי להבחין בין מונחים אלה מהקירור המקובל. זהו קו הפרדה הגיוני, שכן נקודות הרתיחה הרגילות של הגזים הקבועים כביכול (כגון הליום, מימן, ניאון, חנקן, חמצן ואוויר רגיל) נמצאות מתחת ל-K 120, בעוד שלחומרי הקירור של פריאון, פחמימנים וחומרי קירור נפוצים אחרים יש נקודות רתיחה מעל ל-K 120. המכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה של ארצות הברית מחשיב את תחום הקריוגניקה כתחום הכולל טמפרטורות מתחת ל-C° 153- (K 120; F° 243.4-).

גילוי של חומרים מוליכי-על בטמפרטורות קריטיות משמעותית מעל נקודת הרתיחה של חנקן יצר עניין מחודש בשיטות אמינות ובעלות נמוכה לייצור קירור קריוגני בטמפרטורה גבוהה. המונח "קריוגני בטמפרטורה גבוהה" מתאר טמפרטורות הנעות מעל נקודת הרתיחה של חנקן נוזלי, C° 195.79- (K 77.36), עד C° 50- (K 223).

קריוגניסטים משתמשים בסולם הטמפרטורה של קלווין או רנקין, שניהם נמדדים מהאפס המוחלט, ולא סולמות רגילים יותר כמו מעלות צלזיוס שמודד מנקודת הקיפאון של המים בגובה פני הים או מעלות פרנהייט שמודד מנקודת הקיפאון של תמיסת מי מלח מסוימת בגובה פני הים.

המילה קריוגניקה נובעת מיוונית κρύος (קריוס) - "קר" + γενής (גניס) - "יוצר".

נוזלים קריוגניים
נוזלים קריוגניים עם נקודת הרתיחה שלהם בקלווין ובמעלות צלזיוס.

יישומים תעשייתיים

, כגון  והליום נוזלי, משמשים ביישומים קריוגניים רבים. חנקן נוזלי הוא היסוד הנפוץ ביותר בקריוגניקה וניתן לרכישה חוקית ברחבי העולם. הליום נוזלי נמצא גם בשימוש נפוץ ומאפשר להגיע לטמפרטורות הנמוכות ביותר שניתן להשיג.

נוזלים אלו עשויים להיות מאוחסנים ב"מכלי דיואר", שהם מכלים דו-דפנותיים עם ריק גבוה בין הדפנות כדי להפחית את העברת החום לנוזל. מכלים מעבדתיים טיפוסיים של דיואר הם כדוריים, עשויים זכוכית ומוגנים במכל חיצוני ממתכת. למכלי דיואר לנוזלים קרים במיוחד כמו הליום נוזלי יש מכל נוסף בעל דופן כפולה מלא בחנקן נוזלי. מכלי דיואר נקראים על שם הממציא שלהן, , האיש שעיבה לראשונה מימן. בקבוקי תרמוס הם מכלים קטנים יותר המצוידים במארז מגן.

תוויות ברקוד קריוגניות משמשות לסימון מכלי דיואר המכילים את הנוזלים הללו, ולא יתקררו עד ל-C° 195-.

משאבות העברה קריוגניות הן המשאבות המשמשות ברציפי LNG (ראשי תיבות באנגלית של Liquefied Natural Gas – גז טבעי נוזלי) להעברת גז טבעי נוזלי ממכליות גז טבעי נוזלי למכלי אחסון LNG, וכך גם שסתומים קריוגניים.

עיבודים קריוגניים
תחום הקריוגניקה התקדם במהלך מלחמת העולם השנייה כאשר מדענים גילו שמתכות שהוקפאו לטמפרטורות נמוכות הראו יותר עמידות בפני שחיקה. בהתבסס על תאוריה זו של , תעשיית  המסחרית נוסדה בשנת 1966 על ידי ביל ואד בוש (Ed Busch). עם רקע בתעשיית , האחים בוש הקימו בדטרויט חברה בשם קריוטק (CryoTech) בשנת 1966. בוש התנסה במקור עם האפשרות להגדיל את תוחלת החיים של כלי מתכת בין 200% ל-400% מתוחלת החיים המקורית באמצעות חיסום קריוגני במקום טיפול בחום. שיטה זו התפתחה בסוף שנות ה-90 לטיפול בחלקים אחרים.

קריוגנים, כגון חנקן נוזלי, משמשים עוד ליישומי קירור והקפאה מיוחדים. כמה תגובות כימיות, כמו אלה המשמשות לייצור החומרים הפעילים לתרופות הסטטינים הפופולריות, חייבות להתרחש בטמפרטורות נמוכות של כ-C° 100-. כורים כימיים קריוגניים מיוחדים משמשים להסרת חום התגובה ולספק סביבת טמפרטורה נמוכה. הקפאת מזון ומוצרי ביוטכנולוגיה, כמו חיסונים, דורשת חנקן במערכות הקפאה. חומרים רכים או אלסטיים מסוימים הופכים קשים ושבירים בטמפרטורות נמוכות מאוד, מה שהופך את הטחינה הקריוגנית () לאופציה עבור חומרים מסוימים שלא ניתן לטחון בקלות בטמפרטורות גבוהות יותר.

עיבוד קריוגני אינו תחליף לטיפול בחום, אלא הרחבה של מחזור החימום-טבילה-חיסום. בדרך כלל, כאשר פריט עובר טבילה, הטמפרטורה הסופית היא טמפרטורת הסביבה. הסיבה היחידה לכך היא שלרוב מטפלי החום אין ציוד קירור. אין שום דבר משמעותי מבחינה המתכות בטמפרטורת הסביבה. העיבוד הקריוגני ממשיך פעולה זו מטמפרטורת הסביבה עד ל-C° 196- (K 78). ברוב המקרים המחזור הקריוגני מלווה בהליך חיסום חום. מכיוון שלכל הסגסוגות אין את אותם מרכיבים כימיים, הליך החיסום משתנה בהתאם להרכב הכימי של החומר, היסטוריה תרמית או יישום השירות המסוים של הכלי.

התהליך כולו אורך 3–4 ימים.

דלקים
שימוש נוסף בקריוגניקה הוא  לרקטות עם מימן נוזלי כדוגמה הנפוצה ביותר.  (LOX) נמצא בשימוש נרחב עוד יותר, אך כחומר מחמצן, לא כדלק. סוס העבודה של נאס"א מעבורת החלל השתמשה בהנעת מימן/חמצן קריוגני כאמצעי העיקרי שלה להיכנס למסלול כבידתי. LOX נמצא בשימוש נרחב גם עם קרוסין מסוג RP-1, פחמימן לא קריוגני, כמו ברקטות שנבנו עבור תוכנית החלל הסובייטית על ידי סרגיי קורוליוב.

יצרנית המטוסים הרוסית טופולב פיתחה גרסה של העיצוב הפופולרי שלה Tu-154 עם מערכת דלק קריוגנית, המכונה . המטוס משתמש בדלק המכונה גז טבעי נוזלי או LNG, ועשה את הטיסה הראשונה שלו ב-1989.

יישומים אחרים

כמה יישומי של קריוגניקה:
 תהודה מגנטית גרעינית (NMR) היא אחת השיטות הנפוצות ביותר לקביעת המאפיינים הפיזיקליים והכימיים של אטומים על ידי זיהוי תדר הרדיו שנקלט ונקיפה לאחר מכן של גרעינים בשדה מגנטי. זוהי אחת מטכניקות האפיון הנפוצות ביותר ויש לה יישומים בתחומים רבים. בעיקר, השדות המגנטיים החזקים הנוצרים על ידי אלקטרומגנטים מקוררי-על, אם כי קיימים ספקטרומטרים שאינם דורשים קריוגנים. בסולנואידים מוליכי-על מסורתיים, הליום נוזלי משמש לקירור הסלילים הפנימיים מכיוון שיש לו נקודת רתיחה של כ-K 4 בלחץ רגיל. ניתן להשתמש במוליכי-על מתכתיים זולים עבור חיווט הסליל. מה שנקרא תרכובות מוליכות-על בטמפרטורה גבוהה ניתן ליצור מוליכות-על עם שימוש בחנקן נוזלי, הרותח בסביבות K 77.
דימות תהודה מגנטית (MRI) היא יישום מורכב של NMR המבצע דה קונבולוציה לגאומטריה של תהודות ומשמש לצילום עצמים על ידי זיהוי נקיפה של פרוטונים שהופרעו על ידי דופק בתדר רדיו בשדה המגנטי החזק. זה משמש לרוב ביישומי בריאות.
 בערים גדולות קשה להעביר חשמל באמצעות כבלים עיליים, ולכן משתמשים בכבלים תת-קרקעיים. אבל כבלים תת-קרקעיים מתחממים וההתנגדות של הכבלים עולה, מה שמוביל לבזבוז אנרגיה. ניתן להשתמש במוליכי-על כדי להגדיל את תפוקת החשמל, אף על פי שהם ידרשו נוזלים קריוגניים כמו חנקן או הליום כדי לקרר כבלים המכילים סגסוגת מיוחדת כדי להגביר את העברת האנרגיה. בוצעו מספר מחקרי היתכנות והתחום הוא נושא להסכם במסגרת סוכנות האנרגיה הבין-לאומית.

 גזים קריוגניים משמשים להובלה ואחסון של מסות גדולות של מזון קפוא. כאשר כמויות גדולות מאוד של מזון חייבות להיות מועברות לאזורים כמו אזורי מלחמה, אזורים שנפגעו ברעידת אדמה וכו', יש לאחסן אותם לאורך זמן, ולכן נעשה שימוש בהקפאת מזון קריוגנית. הקפאת מזון קריוגנית מועילה גם לתעשיות עיבוד מזון בקנה מידה גדול.
 מצלמות תת-אדום רבות (ביות תת-אדום) מחייבות קירור קריוגני של הגלאים שלהן.
 קבוצות דם נדירות מסוימות מאוחסנות בטמפרטורות נמוכות, כגון C° 165-, בבנקי דם.
 טכנולוגיית קריוגניקה המשתמשת בחנקן נוזלי ו-CO2 נבנתה במערכות אפקטים למועדוני לילה כדי ליצור אפקט מצנן וערפל לבן שניתן להאיר באמצעות אורות צבעוניים.
 קירור קריוגני משמש לקירור קצה הכלי בזמן העיבוד בתהליך הייצור. זה מגדיל את תוחלת החיים של הכלי. החמצן משמש לביצוע מספר פונקציות חשובות בתהליך ייצור הפלדה.
 רקטות רבות משתמשות בגזים קריוגניים כחומרי הנעה. אלה כוללים חמצן נוזלי, מימן נוזלי ומתאן נוזלי.
 על ידי הקפאת צמיג הרכב או המשאית בחנקן נוזלי, הגומי נעשה שביר וניתן לכתוש אותו לחלקיקים קטנים. חלקיקים אלה יכולים לשמש שוב עבור פריטים אחרים.
 מחקר ניסיוני על תופעות פיזיקליות מסוימות, כמו ספינטרוניקה, מחייב טמפרטורות קריוגניות כדי שהאפקטים יתקיימו.
 חיסונים מסוימים חייבים להיות מאוחסנים בטמפרטורות קריוגניות. לדוגמה, חיסון פייזר-ביונטק נגד COVID-19 חייב להיות מאוחסן בטמפרטורות של C° 60- עד C° 90-. (ראו .)

ייצור
קירור קריוגני של מכשירים וחומרים מושג בדרך כלל באמצעות שימוש ב, הליום נוזלי, או  מכנית (המשתמשת בקווי הליום בלחץ גבוה). מקררי Gifford-McMahon,  ומקררי מנוע סטרלינג נמצאים בשימוש נרחב עם מבחר המבוסס על טמפרטורת הבסיס הנדרשת ויכולת הקירור. ההתפתחות העדכנית ביותר בקריוגניקה היא השימוש במגנטים כמחדשים כמו גם כמקררים. מכשירים אלו פועלים על פי העיקרון המכונה .

גלאים
ישנם גלאים קריוגניים שונים המשמשים לאיתור חלקיקים.

למדידת טמפרטורה קריוגנית עד ל-K 30, משתמשים בחיישני Pt100, גלאי טמפרטורת התנגדות (RTD). עבור טמפרטורות נמוכות מ-K 30, יש צורך להשתמש ב לצורך דיוק.

קישורים חיצוניים

 Ray Radebaugh, About Cryogenics – NIST
 What is Cryogenics?
 All about cryogenic technology
 Cryogenics at ScienceDirect

הערות שוליים

קירור ומיזוג אוויר