كثيرًا ما نسمع عن تقنية الكرايو ، ولكننا لا نعرف ماذا تعني ، وإذا كان البعض منا يعلم أنها تعني تقنية التبريد العميق ، فلن تجدا المعلومة مكتملة لدينا بشأنها ، ولهذا نجيب تساؤل ما هو التبريد العميق وخصائصه وكيفية اكتشافه ، والتخصصات العلاجية التي يدخل فيها التبريد العميق.
تعريف التبريد العميق
الكرايوجينيكس أو التبريد العميق Cryogenics ، هو عبارة عن دراسة علمية للمواد وسلوكها في درجات حرارة منخفضة للغاية ، وكرايو كلمة يونانية تعني البرد ، وجينيكس تعني العمق ، وعادة ما يصادف المصطلح في سياق الفيزياء وعلوم المواد والطب ، معان مختلفة مثلما يُطلق على العلماء الذين يدرسون علم التجميد اسم علم التبريد ، حيث يمكن وصف المواد المبردة بالتبريد ، وعلى الرغم من أنه يمكن قياس درجات الحرارة الباردة باستخدام أي مقياس لدرجة الحرارة ، إلا أن مقياس كلفن ورانكين هي الأكثر شيوعًا لقياس التبريد العميق ، لأنها مقاييس مطلقة لها أرقام موجبة.
تم تعريف نطاق درجة الحرارة المبردة ، على أنه من -150 درجة مئوية إلى درجة الصفر المطلق ، فدرجة الحرارة التي تأتي عندها الحركة الجزيئية ، أقرب ما يمكن من الناحية النظرية إلى التوقف تمامًا ، ولهذا عادة ما يتم وصف درجات الحرارة المبردة في المقياس المطلق أو مقياس كلفن ، حيث يتم كتابة الصفر المطلق كـ 0 K ، دون علامة درجة ، ويمكن إجراء التحويل من درجة مئوية إلى مقياس كلفن بإضافة 273 إلى مقياس مئوية.
درجة حرارة التبريد العميق
درجات حرارة التبريد العميق ، تختلف بكثير عن درجات الحرارة المنخفضة العادية ، فعند الوصول إلى درجة التبريد في ظل بعض الظروف القاسية ، يتم تغيير خصائص المواد مثل القوة والتوصيل الحراري والليونة والمقاومة الكهربائية ، بطرق ذات أهمية نظرية وتجارية بحتة ، ونظرًا لأن الحرارة تنشأ عن الحركة العشوائية للجزيئات ، فإن المواد الموجودة في درجات الحرارة المبردة ، تكون قريبة من حالة الثبات ومنظمة بدرجة عالية قدر الإمكان.
ويعتبر المعهد القومي الأمريكي للمعايير والتكنولوجيا (NIST) ، أن المواد المبردة تصل إلى درجات حرارة أقل من 180 درجة مئوية ، وهي درجة حرارة أعلى من المبردات الشائعة مثل كبريتيد الهيدروجين والفريون ، التي نقرأ أسفلها دائمًا عبارة غازات دائمة مثل الهواء ، النيتروجين والأكسجين والنيون ، والهيدروجين والهيليوم وهي عبارة عن سوائل. هناك أيضًا مجال للدراسة يُسمى المواد المبردة cryogenics ذات درجة الحرارة العالية ، والذي يشمل درجات حرارة أعلى من درجة غليان النيتروجين السائل عند الضغط العادي.
قياس درجة حرارة المواد المبردة يتطلب أجهزة استشعار خاصة ، ولهذا تستخدم كاشفات درجة حرارة المقاومة (RTDs) ، لإجراء قياسات درجة حرارة منخفضة تصل إلى 30 ك ، وغالبًا ما يتم استخدام الثنائيات السيليكونية تحت 30 ك ، وتعمل كاشفات الجسيمات المبردة وهي عبارة عن أجهزة استشعار ، بضع درجات فوق الصفر المطلق ، وتستخدم للكشف عن الفوتونات والجسيمات الأولية.
وعادةً ما يتم تخزين السوائل المبردة في أجهزة تسمى قوارير أو حاويات ديوار ، هذه الحاويات تكون مزدوجة الجدران ، وتحتوي على فراغ بين الجدران للعزل ، كما تحتوي قوارير ديوار المعدة للاستخدام مع السوائل شديدة البرودة مثل الهيليوم السائل ، على حاوية عازلة إضافية مملوءة بالنيتروجين السائل ، وسميت قوارير ديوار نسبة لمخترعها جيمس ديوار ، وتم تصميمها حتى تسمح للغاز بالهروب من الحاوية ، وذلك بهدف منع تراكم الضغط من الغليان مما قد يؤدي إلى حدوث انفجار.
اكتشاف التبريد العميق
بدأ التجميد في عام 1877 وهو العام الذي تم فيه تبريد الأكسجين لأول مرة ، إلى درجة أصبح سائلاً عند −183 درجة مئوية ، ومنذ ذلك الحين تم ربط التطور النظري لعلم التجميد ، بالقدرة على نمو أنظمة التبريد.
وبحلول عام 1895 ، عندما أصبح من الممكن الوصول إلى درجات حرارة منخفضة تصل إلى 40 كلفن ، تم تسييل الهواء وفصله إلى مكوناته الرئيسية ؛ في عام 1908 كان الهيليوم يسأل عند 4.2 K كلفن ، وبعد ثلاث سنوات ، تم اكتشاف ميل العديد من المعادن فائقة البرودة لفقد كل مقاومة للكهرباء ، وهذه الظاهرة معروفة باسم الموصلية الفائقة ، وبحلول حقبتي العشرينات والثلاثينيات من القرن الماضي ، كانت درجات الحرارة قريبة من الصفر المطلق ، وبحلول عام 1960 تمكّنت المختبرات من إنتاج درجات حرارة قدرها 100000.0 كلفن ، أي مليون من الدرجة كلفن فوق الصفر المطلق.
استخدامات التبريد العميق
هناك العديد من الاستخدامات للتبريد العميق ، حيث يمكن استخدامه لإنتاج الوقود المبرد للصواريخ ، بما في ذلك الهيدروجين السائل والأكسجين السائل (LOX) ، وعادة ما يتم إنتاج الحقول الكهرومغناطيسية القوية اللازمة للرنين المغناطيسي النووي (NMR) ، عن طريق مغناطيس كهربائي فائق البرودة مع cryogens.
كذلك فالتصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) ، هو عبارة عن تطبيق للرنين المغناطيسي النووي باستخدام الهيليوم السائل، أيضًا فكاميرات الأشعة تحت الحمراء تتطلب في كثير من الأحيان التبريد العميق. وكذلك يستخدم التجميد المبرد للغذاء لنقل أو تخزين كميات كبيرة من الطعام ، وبالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن يؤدي تجميد المواد التي تستخدم المواد المبردة ، إلى تحويلها لمواد هشة بدرجة كافية لتقسيمها إلى قطع صغيرة لإعادة تدويرها.
كما يستخدم التبريد العميق ، لتخزين عينات الأنسجة والدم والحفاظ على العينات التجريبية ، ويمكن استخدام التبريد العميق للموصلات الفائقة أيضًا ، بهدف زيادة نقل الطاقة الكهربائية للمدن الكبيرة ، ولا نغفل استخدام المعالجة المبردة كجزء من بعض معالجات السبائك ، وتسهيل التفاعلات الكيميائية منخفضة الحرارة ، على سبيل المثال ما يحدث لتصنيع أدوية ستاتين.
أيضًا يستخدم التبريد العميق Cryomilling ، لطحن المواد التي قد تكون ناعمة أو مرنة للغاية بحيث لا يتم طحنها في درجات الحرارة العادية ، كما يمكن استخدام تبريد الجزيئات وصولاً إلى مئات نانو كلفن.
مجالات استخدام التبريد العميق
Cryogenics الكرايوجينيكس أو التبريد العميق ؛ عبارة عن مجال واسع يشمل العديد من التخصصات ، بما في ذلك:
- الحفاظ على الحيوانات والأشخاص بالتبريد ، بهدف إحيائها في المستقبل.
- Cryosurgery هو أحد فروع الجراحة ، التي تستخدم فيها درجات الحرارة المبردة لقتل الأنسجة غير المرغوب فيها أو الخبيثة ، مثل الخلايا السرطانية أو الشامات.
- أما تخصص الإلكترونيات بالتبريد فهي عبارة عن دراسة الموصلية الفائقة ، بهدف التنقل بين النطاقات المتغيرة ، والظواهر الإلكترونية الأخرى في درجات حرارة منخفضة ، ويعرف باسم التطبيق العملي للالكترونيات بالتبريد العميق.
- علم الأمراض بالتبريد ؛ هو عبارة عن دراسة آثار درجات الحرارة المنخفضة على الكائنات الحية ، بما في ذلك الحفاظ على الكائنات الحية والأنسجة والمواد الوراثية باستخدام الحفظ بالتبريد.
حقيقة مثيرة عن التبريد العميق
على الرغم أن درجة حرارة التبريد العميق ، عادةً ما تصل إلى درجة حرارة أقل من درجة تجمد النيتروجين السائل حتى الآن ، والتي تصل إلى أعلى من درجة الصفر المطلق ، توصل الباحثون إلى درجات حرارة أقل من الصفر المطلق ، فيما عرف باسم درجات حرارة كيلفن السلبية ، وذلك في عام 2013 ، حيث قام البروفيسور أولريش شنايدر من جامعة ميونيخ بألمانيا ، بتبريد الغاز إلى ما دون الصفر المطلق ، مما أدى إلى جعله أكثر حرارة بدلاً من البرودة.
