El invento de la Criogenia

Criogenia

criogenia. f. Fís. Estudio de los procesos que se producen a temperaturas extremadamente bajas.

Nitrógeno líquido

El nitrógeno líquido se vierte como agua para enfriar un dispositivo electrónico a 77 K (-196 °C). Se produce por licuación del aire y se emplea como refrigerante criogénico de bajo costo. Puede almacenarse durante periodos prolongados en recipientes especiales denominados termos o frascos Dewar. El nitrógeno líquido tiene muchas aplicaciones, desde la ultracongelación de alimentos a la eliminación de verrugas. Los bancos de semen utilizan nitrógeno líquido para conservar el material genético. Los laboratorios de investigación lo emplean para atrapar materiales volátiles. Frecuentemente, la refrigeración con nitrógeno líquido es el punto de partida para alcanzar temperaturas más bajas usando helio líquido.

Criogenia, estudio y utilización de materiales a temperaturas muy bajas. No se ha acordado un límite superior para las temperaturas criogénicas, pero el Instituto Nacional de Modelos y Tecnología de Estados Unidos ha sugerido que se aplique el término ‘criogenia’ para todas las temperaturas inferiores a -150 °C (123 K). Algunos científicos consideran el punto de ebullición normal del oxígeno (-183 °C) como límite superior (véase Cero absoluto). Las temperaturas criogénicas se obtienen por la evaporación rápida de líquidos volátiles o por la expansión de gases confinados a presiones de entre 150 a 200 atmósferas. La expansión puede ser simple, es decir, a través de una válvula que comunica con una región de menor presión, o tener lugar en el cilindro de un motor alternativo, donde el gas impulsa el pistón del motor. El segundo método es más eficiente, pero también es más difícil de aplicar. Véase Calor.

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EVOLUCIÓN HISTÓRICA

Los primeros trabajos en la física de bajas temperaturas realizados por los químicos británicos Humphry Davy y Michael Faraday entre 1823 y 1845 allanaron el camino para el desarrollo de la criogenia. Davy y Faraday generaron gases calentado una mezcla adecuada en un extremo de un tubo estanco con forma de V invertida. El otro extremo se mantenía en una mezcla de hielo y sal para enfriarlo. La combinación de temperaturas reducidas y altas presiones hacía que el gas generado se licuara. Al abrir el tubo, el líquido se evaporaba rápidamente y se enfriaba hasta su punto de ebullición normal. Evaporando a bajas presiones dióxido de carbono sólido mezclado con éter, Faraday obtuvo una temperatura de aproximadamente 163 K (-110 °C).

Si un gas a temperatura moderada se expande a través de una válvula, su temperatura aumenta. Pero si su temperatura inicial está por debajo de la llamada temperatura de inversión, la expansión provoca una reducción de temperatura: es lo que se llama efecto Joule-Thomson. Las temperaturas de inversión del hidrógeno y el helio, dos gases criogénicos fundamentales, son extremadamente bajas, y para lograr una reducción de temperatura por expansión, deben enfriarse primero por debajo de sus temperaturas de inversión: el hidrógeno mediante aire líquido y el helio mediante hidrógeno líquido. Generalmente, este método no logra la licuefacción de gases en un solo paso, pero encadenando los efectos en cascada, el físico francés Louis Paul Cailletet y el físico suizo Raoul Pierre Pictet, de forma independiente, lograron producir en 1877 algunas gotas de oxígeno líquido. El éxito de estos investigadores marcó el final del concepto de gases permanentes, y estableció la posibilidad de licuar cualquier gas mediante una compresión moderada a temperaturas inferiores a la temperatura de inversión.

El físico holandés Heike Kamerlingh Onnes montó la primera planta de producción de aire líquido en 1894, utilizando el principio de cascada. A lo largo de los siguientes 40 años, investigadores de Gran Bretaña, Francia, Alemania y Rusia desarrollaron diversas mejoras del proceso. El químico británico James Dewar fue el primero en licuar el hidrógeno en 1898, y Kamerlingh Onnes licuó el helio (el gas más difícil de licuar) en 1908. Desde entonces se ha dedicado una atención cada vez mayor al estudio de fenómenos a bajas temperaturas. Uno de los retos ha seguido siendo mejorar la eficiencia haciendo que un gas refrigerante opere en un motor alternativo o una turbina. Fueron notables los trabajos del físico ruso Piotr Kapitsa y el ingeniero estadounidense Samuel Collins. Un licuador de helio basado en el diseño de Collins ha hecho posible que muchos laboratorios no especializados puedan realizar experimentos en el punto de ebullición normal del helio, 4,2 K (-268,9 °C).

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DESMAGNETIZACIÓN ADIABÁTICA

La evaporación de helio líquido a presión reducida produce temperaturas de hasta 0,7 K (-272,45 °C). Es posible alcanzar temperaturas aún menores mediante la desmagnetización adiabática. En este proceso se establece un campo magnético en torno a una sustancia paramagnética (véase Magnetismo: Tipos de materiales magnéticos) mantenida en helio líquido para enfriarla. El campo alinea los espines electrónicos; al desconectarlo, los espines recuperan su orientación aleatoria, con lo que reducen la energía térmica de toda la muestra. Con ello se logra que la temperatura baje hasta niveles de sólo 0,002 K. Del mismo modo, el alineamiento de los espines nucleares seguido de la desconexión del campo magnético ha producido temperaturas cercanas a 0,00001 K.

Los frascos Dewar o termos han demostrado su utilidad para almacenar líquidos a temperaturas criogénicas. Estos recipientes están formados por dos frascos, uno dentro de otro, separados por un espacio en el que se ha hecho el vacío. El exterior del frasco interno y el interior del frasco externo están recubiertos de una capa reflectante para evitar que el calor atraviese el vacío por radiación. Las sustancias más frías que el aire líquido no pueden manejarse en frascos Dewar abiertos porque el aire se condensaría sobre la muestra o formaría un tapón sólido que impediría la salida de los vapores liberados; éstos se acumularían y terminarían por romper el recipiente.

La medida de temperaturas en la zona criogénica presenta dificultades. Un procedimiento consiste en medir la presión de una cantidad conocida de hidrógeno o helio, pero este método falla en las temperaturas más bajas. El empleo de la presión de vapor del helio 4, es decir, helio de número másico 4, o del helio 3 (número másico 3), mejora el procedimiento anterior. La determinación de la resistencia eléctrica o las propiedades magnéticas de metales o semiconductores amplía aún más la escala de temperaturas medibles.

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CAMBIO DE PROPIEDADES

Levitación magnética

Un pequeño imán cilíndrico flota por encima de un superconductor. El vapor es nitrógeno líquido en ebullición, que mantiene al superconductor en un estado de resistencia nula. Cuando el imán desciende hacia el superconductor, induce una corriente eléctrica, que a su vez crea un campo magnético opuesto al del imán. Como el superconductor no tiene resistencia eléctrica, la corriente inducida sigue fluyendo y mantiene el imán suspendido indefinidamente.

A temperaturas criogénicas, muchos materiales se comportan de forma desconocida en condiciones normales. El mercurio se solidifica y la goma se hace tan quebradiza como el vidrio. El calor específico de los gases y los sólidos disminuye en una forma que confirma las predicciones de la teoría cuántica. La resistencia eléctrica de muchos metales y metaloides —aunque no de todos— cae bruscamente hasta cero a temperaturas de unos pocos kelvins. Si se introduce una corriente eléctrica en un anillo metálico enfriado hasta hacerlo superconductor, la corriente sigue circulando por el anillo y puede ser detectada horas después. La capacidad de un material superconductor para mantener una corriente ha permitido diseñar módulos experimentales de memoria de ordenador que funcionan a estas temperaturas bajas. No obstante, las computadoras superrefrigeradas aún no resultan prácticas, incluso con el descubrimiento de materiales que presentan superconductividad a temperaturas algo mayores que las del helio líquido.

El comportamiento del helio 4 a bajas temperaturas es sorprendente en dos aspectos. En primer lugar, permanece líquido incluso después de un enfriamiento extremo. Para solidificar el helio 4 es necesario someter el líquido a una presión superior a 25 atmósferas. Además, el helio 4 líquido alcanza un estado de superfluidez a temperaturas por debajo de 2,17 K (-270,98 °C). En este estado, su viscosidad parece ser casi nula. Forma una película en la superficie del recipiente, por donde fluye sin resistencia. El helio 3 también presenta superfluidez, pero sólo a temperaturas inferiores a 0,00093 kelvins.

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APLICACIONES

Entre las muchas aplicaciones industriales importantes de la criogenia está la producción a gran escala de oxígeno y nitrógeno a partir del aire. El oxígeno tiene múltiples usos, por ejemplo, en motores de cohetes, en los altos hornos, en sopletes de corte y soldadura o para hacer posible la respiración en naves espaciales y submarinos. El nitrógeno se emplea en la producción de amoníaco para fertilizantes o en la preparación de alimentos congelados que se enfrían con suficiente rapidez para impedir que se destruyan los tejidos celulares; se utiliza también como refrigerante y para el transporte de alimentos congelados.

La criogenia ha hecho posible el transporte comercial de gas natural licuado. Sin la criogenia, la investigación nuclear carecería de hidrógeno y helio líquidos para los detectores de partículas y para los potentes electroimanes necesarios en los grandes aceleradores de partículas. Estos imanes también se emplean en la investigación de fusión nuclear. Algunos dispositivos infrarrojos, máseres y láseres también requieren temperaturas criogénicas.

La cirugía criogénica o criocirugía se emplea en el tratamiento de la enfermedad de Parkinson: se destruye tejido de forma selectiva congelándolo con una pequeña sonda criogénica. Una técnica similar también se ha empleado para destruir tumores cerebrales y detener el avance del cáncer de cuello de útero.