Ψύξη, Μία σύντομη γνωριμία με την Κρυογενική Ψύξη

Γράφει ο Δημήτρης Μενεγάκης, Μηχανολόγος – Μηχανικός

Ο όρος ″κρυογενική″ είναι μια λέξη της δικής μας γλώσσας, που σημαίνει ″γέννηση κρύου″ και σε ελεύθερη απόδοση σημαίνει ″παραγωγή ψύξης″. Ο όρος αυτός χρησιμοποιείται διεθνώς, αλλά πρέπει από το ξεκίνημα μας να τονίσουμε, ότι ο όρος αναφέρεται στην περιοχή των πιο χαμηλών θερμοκρασιών της φύσης, που αρχίζει από τους -90⁰C και φτάνει στο απόλυτο μηδέν, δηλαδή στους -273⁰C (-460⁰F).

Πριν προχωρήσω θέλω να σας υπενθυμίσω, ότι στη θερμοκρασία αυτή, στο απόλυτο μηδέν, μηδενίζεται ο όγκος των αερίων, με άλλα λόγια παύουν να υπάρχουν τα αέρια. Θα ήθελα ακόμη να θυμίσω ότι αυτό το απόλυτο μηδέν είναι η αρχή των μετρήσεων των θερμομέτρων, Κέλβιν (⁰Κ) και ρεωμήρου (⁰R). Κατά συνέπεια το απόλυτο μηδέν ισοδυναμεί με -273⁰C, με -460⁰F- με O⁰K και με O⁰R. Με αυτές τις απαραίτητες υπενθυμίσεις, θα προχωρήσω σε μια σύντομη καταγραφή της ιστορικής εξέληξης της κρυογενικής.

Ο άνθρωπος άρχισε πολύ νωρίς να ενδιαφέρεται για τη φύση διαφόρων υλικών σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες. Παρά ταύτα, μόνο στις αρχές του 20ου αιώνα άρχισε η συστηματική έρευνα, γύρω από αυτό το θέμα. Η βάση λοιπόν της κρυογενικής μηχανικής ήταν η υγροποίηση του αζώτου (-196⁰C) από τον Γερμανό Linde και του υδρογόνου (-253⁰C) από τον Άγγλο James Dewar, το 1898 σχεδόν ταυτόχρονα. Η συνέχεια δόθηκε με την υγροποίηση του ηλίου (-269⁰C) από τον Kemmerling Onnes το 1908 στην Αμερική. Ήταν τεράστιο το επιστημονικό ενδιαφέρον, αλλά σχεδόν ανύπαρκτο το εμπορικό, πράγμα που μέτρησε αρνητικά για την εξέλιξη της κρυογενικής. Μέχρι το 1940 η έρευνα στον τομέα της κρυογενικής γίνονταν μόνο σε λίγα Πανεπιστήμια της Ευρώπης και της Αμερικής και σε ακόμη πιο λίγα κρατικά εργαστήρια. Ένα μεγάλο άλμα πραγματοποιήθηκε τότε, όταν μερικά από τα σπουδαιότερα Πανεπιστήμια της Αμερικής και της Ευρώπης, αλλά και κάποιες κρατικές υπηρεσίες, ξεκίνησαν σοβαρές επιστημονικές έρευνες στον τομέα της κρυογενικής. Η μεγάλη επιτυχία σημειώθηκε το 1947 όταν ο καθηγητής Collins του Τεχνολογικού Ινστιτούτου της Μασαχουσέτης (Μ.Ι.Τ.) κατασκεύασε τον πρώτο υγροποιητή ηλίου, που βελτιώθηκε και τελειοποιήθηκε από τον ίδιο. Από τότε άρχισε το ενδιαφέρον για τη χρησιμοποίηση των υγροποιημένων αερίων.

Με τον υγροποιητή του Collins η έρευνα έφτασε σε θερμοκρασία βρασμού του ηλίου σε ατμοσφαιρική πίεση τους -269⁰C και η κρίσιμη θερμοκρασία αυτού του αερίου, δηλαδή η πιο υψηλή θερμοκρασία της υγρής του κατάστασης είναι μόνο 1⁰Κ, που σημαίνει ότι απέχει ελάχιστα, μόλις 1⁰C περίπου από το απόλυτο 0. Μελετήθηκε η συμπεριφορά των διαφόρων υλικών στις θερμοκρασίες αυτές με αποτέλεσμα να προκύψουν νέα υλικά, αλλά και νέες τεχνικές, ως προς την μεταφορά, την αποθήκευση, τη χρήση, καθώς επίσης και οι απαραίτητοι μηχανισμοί και τα απαιτούμενα όργανα.

Αποτέλεσμα όλων αυτών των προσπαθειών ήταν η αύξηση του εμπορικού ενδιαφέροντος για τις εφαρμογές στην περιοχή των πολύ χαμηλών θερμοκρασιών, ιδιαίτερα στον τομέα της πολεμικής βιομηχανίας, της κατασκευής πυραύλων για στρατιωτικούς σκοπούς και την εξερεύνηση του διαστήματος, αλλά και για την ιατρική. Στον τομέα της δικής μας ψυκτικής τεχνολογίας δεν έχουν πολλά σημαντικά βήματα, προς το παρόν τουλάχιστο, λόγω του υψηλού κόστους της κρυογενικής ψύξης. Πάντως γίνονται σοβαρές μελέτες και το μέλλον θα δώσει τις απαντήσεις του. Αυτό είναι παραπάνω από σίγουρο, γιατί δεν πρέπει να ξεχνάμε, ότι τόσο η δική μας ψυκτική τεχνολογία, όσο και η κρυογενική ψύξη είναι κόρες της ίδιας ιερής μάνας, της θεάς θερμοδυναμικής και εγγονές της φυσικής.

Ότι διαβάσατε μέχρι εδώ ήταν μια πολύ συνοπτική χρονολογική εξέλιξη της κρυογενικής ψύξης που ξεκίνησε πολύ πρόσφατα από τα ιερά τέρατα της Επιστήμης και κατέληξε στα ″θεία″ μόλις στην προηγούμενη παράγραφο. Στο σημείο αυτό μπαίνουμε κάπως πιο βαθειά στο θέμα μας. Στην κρυογενική ψύξη χρησιμοποιούνται ορισμένα υγρά ή μάλλον υγροποιημένα αέρια και η θερμοκρασία, που μπορούμε να πετύχουμε εξαρτάται από το υγροποιημένο αέριο που θα χρησιμοποιήσουμε. Τα αέρια που χρησιμοποιούνται είναι το μεθάνιο, το οξυγόνο, το άζωτο, το νέον, το υδρογόνο και το ήλιον. Τα αέρια αυτά υγροποιούνται στον υγροποιητή του Collins, δηλαδή στη δική μας γλώσσα συμπυκνώνονται στο συμπυκνωτή του Collins.

Ο πίνακας μας δίνει τις θερμοκρασίες βρασμού αυτών των υγροποιημένων αερίων σε βαθμούς των τεσσάρων γνωστών μας θερμομέτρων. Στον ίδιο πίνακα εκτός από τις θερμοκρασίες βρασμού των επτά υγροποιημένων κρυογενικών αερίων διακρίνουμε και τις τρείς περιοχές χαμηλών θερμοκρασιών της φύσης, που βρίσκονται ανάμεσα στους Ο⁰C, δηλαδή θερμοκρασία στην οποία λιώνει ο πάγος, μέχρι το απόλυτο μηδέν, θερμοκρασία στην οποία μηδενίζεται ο όγκος των αερίων.

Οι τρεις περιοχές είναι :

• Η περιοχή χαμηλών θερμοκρασιών, που ξεκινά από τους 0⁰C και τελειώνει στους -42⁰C
• Η περιοχή των πολύ χαμηλών θερμοκρασιών από τους -42⁰C μέχρι τους -90⁰C και
• Η κρυογενική περιοχή που ξεκινά από τους -90⁰C και τερματίζει στους 273⁰C , δηλαδή στο απόλυτο μηδέν.

Οι θερμοκρασίες των δύο πρώτων περιοχών, δηλαδή από τους 0⁰C , μέχρι τους -90⁰C πετυχαίνονται με τα γνωστά μας συμβατικά μέσα, τα γνωστά μας ψυκτικά κυκλώματα, είτε μιας είτε δύο βαθμίδων (cascade). Οι θερμοκρασίες της τρίτης περιοχής πετυχαίνονται μόνο με την κρυογενική ψύξη και την παρακάτω σειρά:

• από -90⁰C μέχρι -160⁰C με υγροποιημένο μεθάνιο,
• από -160⁰C μέχρι -180⁰C με υγροποιημένο οξυγόνο,
• από -180⁰C μέχρι -196⁰C με υγροποιημένο άζωτο,
• από -196⁰C μέχρι -246⁰C με υγροποιημένο νέον
• από -246⁰C μέχρι -253⁰C με υγροποιημένο υδρογόνο
• από -253⁰C μέχρι – 273⁰C δηλαδή μέχρι το απόλυτο μηδέν με υγροποιημένο ήλιον.

Στο σημείο αυτό πρέπει να κάνω μία διευκρίνιση. Στη λίστα των κρυογενικών αερίων δεν έχω συμπεριλάβει τον ατμοσφαιρικό αέρα, ο οποίος θεωρείται κρυογενικό αέριο, τα στοιχεία του μάλιστα φαίνονται στον πίνακα. Σε άλλα σημεία του σημερινού μας άρθρου σημειώνω ότι τα κρυογενικά αέρια είναι επτά, σε άλλα ότι είναι έξη. Παραδέχομαι ότι τα κρυογενικά αέρια είναι επτά, αλλά αποδέχομαι μόνο τα έξη, βγάζοντας εκτός λίστας τον αέρα. Θα γίνω λίγο θεωρητικός για να εξηγήσω αυτή την αυθαιρεσία μου, χρησιμοποιώντας τη θερμοδυναμική.

Τα γνωστά μας ψυκτικά ρευστά, αυτά που χρησιμοποιούμε στις συμβατικές ψυκτικές μας μηχανές, συμπυκνώνονται, δηλαδή υγροποιούνται σε θερμοκρασία δωματίου, όταν πάνω σ’ αυτά εξασκείται κάποια πίεση, όπως συμβαίνει στο γνωστό μας συμπυκνωτή, το συμπυκνωτή του ψυκτικού μας κυκλώματος. Το ίδιο ακριβώς συμβαίνει και με τα κρυογενικά αέρια. Υπάρχει τότε μια σχετικά μεγάλη αλλαγή της ενθαλπίας και η απελευθέρωση θερμότητας είναι μεγάλη και αν θυμηθούμε για λίγο τη θερμοδυναμική , είναι ίση με το άθροισμα του παραγόμενου έργου και της πτώσης της ενθαλπίας του ρευστού, κατά τη λειτουργία σταθερής ροής. Στην περίπτωση του αέρα όμως, σημειώνεται ελαφρά μόνο ελάττωση της ενθαλπίας κατά τη συμπίεση σε θερμοκρασία δωματίου, οπότε η απελευθέρωση θερμότητας είναι ελάχιστα πιο πάνω από το έργο της συμπίεσης. Στην περίπτωση αυτή υγροποίηση δεν γίνεται, διότι η κρίσιμη θερμοκρασία του αέρα είναι πολύ πιο χαμηλή από τη θερμοκρασία του δωματίου. Με φρεσκαρισμένη τη θύμηση σ΄αυτές τις αρχές της θερμοδυναμικής για τη συμπύκνωση, δικαιολογήστε με που βγάζω τον αέρα από τη λίστα των κρυογενικών αερίων.