La criogenia è una branca della fisica che si occupa dello studio, della produzione e dell'utilizzo di temperature molto basse (sotto i -150 °C o 123 K) e del comportamento dei materiali in queste condizioni.

Indice

EtimologiaModifica

 
Serbatoio contenente azoto liquido.

La parola criogenia letteralmente significa "la produzione di freddo ghiacciato"; 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 inizia la criogenia. Gli studiosi del National Institute of Standard Technology a Boulder, Colorado hanno scelto di considerare il campo della criogenia quello che riguarda temperature sotto i -180 °C (93.15 K). Questa è una ragionevole divisione, poiché i tipici punti di ebollizione dei gas permanenti (come elio, idrogeno, neon, azoto, ossigeno, e l'aria) rimangono tali sotto i -180 °C mentre il refrigerante freon, e altri refrigeranti comuni hanno punti di ebollizione sopra i -180 °C.

Applicazioni industrialiModifica

L'impiego della criogenia nell'industria moderna è in espansione. Uscita dai laboratori già dal secolo scorso per la distillazione dell'aria, al momento è anche impiegata per particolari trattamenti metallurgici e per sfruttare in numerosi campi gli effetti legati alla superconduttività. Oggi giorno la criogenia con azoto liquido viene applicata a pezzi metallici per rimuovere ossidazioni e vernice, tale risultato viene ottenuto grazie alla capacità dell'azoto liquido di restringere la sostanza che ricopre tale pezzo metallico 8volte più delle sue dimensioni normali, in tale modo le sostanze si crepano e si gonfiano permettendo di rimuoverle con più facilità.

Distillazione dell'ariaModifica

La distillazione dell'aria è stata forse la prima applicazione industriale della criogenia. Tutti i gas presenti nell'aria possono essere liquefatti a pressione ambiente abbassandone la temperatura. Con questo processo si liquefa prima l'ossigeno (temperatura di liquefazione 90,18 K = -182,97 °C) e poi l'azoto (temperatura di liquefazione 77,33 K = -195,82 °C). Con questo sistema è possibile ottenere anche l'argon (temperatura di liquefazione 87,35 K (-185,80 °C). Una volta separati i gas sono utilizzati per vari scopi. I gas prodotti con questo metodo presentano molte impurità, e per alcune applicazioni necessitano di processi di purificazione. Sono poi mantenuti in contenitori speciali detti vasi di Dewar che prendono il nome dal loro inventore James Dewar, il primo che riuscì a liquefare l'idrogeno. Al giorno d'oggi si contendono il primato mondiale della produzione di gas tecnici poche società: la francese Air Liquide, le italiane SOL s.p.a. e la siad s.p.a., la tedesca Linde che ha recentemente acquistato la britannica BOC e la statunitense Praxair, che controlla in Italia la Rivoira S.p.A.. Per ulteriori informazioni sugli utilizzi di questi gas: argon, azoto, ossigeno

Trasporto di gas naturaleModifica

Il gas naturale è una delle principali fonti di energia fossile sfruttate attualmente, 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.

CriopompaggioModifica

Particolari lavorazioni, in particolare nell'industria dei semiconduttori, richiedono ambienti a elevatissimo grado di purezza, o a bassissime pressioni. Per raggiungere tali condizioni si utilizza dapprima una pompa a vuoto che va a aspirare tutta l'aria presente nell'ambiente, dopodiché si attiva una criopompa che abbassando continuamente la temperatura dei gas rimasti, li fa liquefare. Come per la distillazione frazionata si liquefanno prima ossigeno argon e azoto, ma spesso è necessario arrivare a condensare anche il poco idrogeno rimasto. Comunque gli ambienti in questione sono in genere molto piccoli, e le macchine utilizzate hanno basse potenze.

Sensori a InfrarossiModifica

Nel rilevatore noto come sensore ad infrarossi la massima lunghezza d'onda rilevabile è inversamente proporzionale alla temperatura di funzionamento. Quindi per osservare oggetti più “freddi” che emettono calore a lunghezze d'onda maggiori, è necessario raffreddare il sensore fino a temperature criogeniche, in genere dai 4 ai 100K.

Elettronica a semiconduttoriModifica

Molti dei normali apparecchi elettronici con componenti semiconduttore, migliorano le loro prestazioni a basse temperature. In generale aumenta la velocità di funzionamento, si riduce la potenza necessaria al funzionamento e si abbassa la velocità di deterioramento, che cresce con la temperatura.

SuperconduttivitàModifica

È ben nota la relazione tra le temperature criogeniche e il fenomeno della superconduttività. Questo fenomeno è sfruttato industrialmente per la produzione di intensissimi campi magnetici, soprattutto per acceleratori di particelle usati in ricerca e in medicina. Allo stesso modo magneti superconduttori vengono utilizzati per rilevare debolissime variazioni di un campo magnetico, anche in questo caso in ricerca e in medicina. Bisogna inoltre citare gli studi e i prototipi sui treni a levitazione magnetica (altro fenomeno legato alla superconduttività) e quelli riguardo allo sviluppo di “elettronica a superconduttori”, che promette di avere velocità incomparabili con i sistemi tradizionali.

Processi criogeniciModifica

Il campo della criogenia migliorò durante la Seconda guerra mondiale, quando gli scienziati scoprirono che i metalli gelati a bassissime temperature mostravano una maggiore resistenza all'usura. Basandosi su questa teoria dell'indurimento criogenico, Ed Busch fondò nel 1966 a Detroit un'industria 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. I criogeni come l'azoto 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.

CombustibiliModifica

  Lo stesso argomento in dettaglio: Combustibile criogenico.

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 l'ossigeno come un comburente). Per esempio, lo space shuttle usa ossigeno e idrogeno criogenici, come spinta principale per entrare in orbita, e anche o missili costruiti per il programma spaziale sovietico da Sergej Pavlovič Korolëv. Ciò si trasformò nell'oggetto 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 N-1 rocket.

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

Altri utilizziModifica

Temperature criogeniche sono utilizzate sempre in medicina per la criochirurgia e la crioconservazione.

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