Comprendre le concept de la cryogénie

La cryogénie est définie comme l'étude scientifique des matériaux et de leur comportement à des températures extrêmement basses. Le mot vient du grec cryo, ce qui signifie "froid", et génique, ce qui signifie "produire". Le terme est généralement utilisé dans le contexte de la physique, de la science des matériaux et de la médecine. Un scientifique qui étudie la cryogénie est appelé cryogéniste. Un matériau cryogénique peut être appelé cryogène. Bien que les températures froides puissent être signalées en utilisant n'importe quelle échelle de température, les échelles Kelvin et Rankine sont les plus courantes car ce sont des échelles absolues qui ont des nombres positifs.

Le degré exact de froid auquel une substance doit être considérée comme «cryogénique» fait l'objet d'un débat au sein de la communauté scientifique. Le National Institute of Standards and Technology (NIST) des États-Unis considère que la cryogénie comprend des températures inférieures à −180 ° C (93,15 K; −292,00 ° F), qui est une température au-dessus de laquelle les réfrigérants courants (par exemple, le sulfure d'hydrogène, le fréon) sont des gaz et au-dessous duquel les "gaz permanents" (par exemple, l'air, l'azote, l'oxygène, le néon, l'hydrogène, l'hélium) sont des liquides. Il existe également un domaine d'étude appelé «cryogénie à haute température», qui implique des températures supérieures au point d'ébullition de l'azote liquide à la pression ordinaire (−195,79 ° C (77,36 K; −320,42 ° F), jusqu'à −50 ° C (223,15 K; −58,00 ° F).

La mesure de la température des cryogènes nécessite des capteurs spéciaux. Les détecteurs de température à résistance (RTD) sont utilisés pour prendre des mesures de température aussi basses que 30 K. En dessous de 30 K, des diodes au silicium sont souvent utilisées. Les détecteurs de particules cryogéniques sont des capteurs qui fonctionnent à quelques degrés au-dessus du zéro absolu et sont utilisés pour détecter les photons et les particules élémentaires.

Les liquides cryogéniques sont généralement stockés dans des appareils appelés flacons Dewar. Ce sont des conteneurs à double paroi qui ont un vide entre les murs pour l'isolation. Les flacons Dewar destinés à être utilisés avec des liquides extrêmement froids (par exemple, l'hélium liquide) ont un récipient isolant supplémentaire rempli d'azote liquide. Les flacons Dewar portent le nom de leur inventeur, James Dewar. Les flacons permettent au gaz de s'échapper du récipient pour empêcher l'accumulation de pression d'ébullition qui pourrait conduire à une explosion.

Fluides cryogéniques

Les fluides suivants sont le plus souvent utilisés en cryogénie:

Fluide	Point d'ébullition (K)
Hélium-3	3.19
Hélium-4	4.214
Hydrogène	20,27
Néon	27.09
Azote	77,36
Air	78,8
Fluor	85.24
Argon	87,24
Oxygène	90.18
Méthane	111,7

Utilisations de la cryogénie

Il existe plusieurs applications de la cryogénie. Il est utilisé pour produire des carburants cryogéniques pour les fusées, y compris l'hydrogène liquide et l'oxygène liquide (LOX). Les forts champs électromagnétiques nécessaires à la résonance magnétique nucléaire (RMN) sont généralement produits par la surfusion d'électroaimants avec des cryogènes. L'imagerie par résonance magnétique (IRM) est une application de la RMN qui utilise de l'hélium liquide. Les caméras infrarouges nécessitent souvent un refroidissement cryogénique. La congélation cryogénique des aliments est utilisée pour transporter ou stocker de grandes quantités d'aliments. L'azote liquide est utilisé pour produire du brouillard pour les effets spéciaux et même des cocktails spéciaux et des aliments. La congélation de matériaux à l'aide de cryogènes peut les rendre suffisamment cassants pour être brisés en petits morceaux pour le recyclage. Les températures cryogéniques sont utilisées pour stocker les échantillons de tissus et de sang et pour conserver les échantillons expérimentaux. Le refroidissement cryogénique des supraconducteurs peut être utilisé pour augmenter la transmission d'énergie électrique dans les grandes villes. Le traitement cryogénique est utilisé dans le cadre de certains traitements d'alliages et pour faciliter les réactions chimiques à basse température (par exemple, pour fabriquer des statines). Le cryofraisage est utilisé pour broyer des matériaux qui peuvent être trop mous ou élastiques pour être broyés à des températures ordinaires. Le refroidissement des molécules (jusqu'à des centaines de nano Kelvins) peut être utilisé pour former des états exotiques de la matière. Le Cold Atom Laboratory (CAL) est un instrument conçu pour être utilisé en microgravité pour former des condensats de Bose Einstein (environ 1 pico Kelvin de température) et tester les lois de la mécanique quantique et d'autres principes de la physique.

Disciplines cryogéniques

La cryogénie est un vaste domaine qui englobe plusieurs disciplines, notamment:

Cryonics - La cryonie est la cryoconservation des animaux et des humains dans le but de les faire revivre à l'avenir.

Cryochirurgie - Il s'agit d'une branche de la chirurgie dans laquelle les températures cryogéniques sont utilisées pour tuer les tissus indésirables ou malins, tels que les cellules cancéreuses ou les grains de beauté.

Cryoélectroniques - Il s'agit de l'étude de la supraconductivité, du saut à plage variable et d'autres phénomènes électroniques à basse température. L'application pratique de la cryoélectronique est appelée cryotronique.

Cryobiologie - Il s'agit de l'étude des effets des basses températures sur les organismes, y compris la préservation des organismes, des tissus et du matériel génétique à l'aide cryoconservation.

Cryogenics Fun Fact

Alors que la cryogénie implique généralement une température inférieure au point de congélation de l'azote liquide mais supérieure à celle du zéro absolu, les chercheurs ont atteint des températures inférieures à zéro absolu (températures dites Kelvin négatives). En 2013, Ulrich Schneider à l'Université de Munich (Allemagne) a refroidi le gaz au-dessous du zéro absolu, ce qui le rendrait plus chaud au lieu de plus froid!

Sources

• Braun, S., Ronzheimer, J. P., Schreiber, M., Hodgman, S. S., Rom, T., Bloch, I., Schneider, U. (2013) "Negative Absolute Temperature for Motional Degrees of Freedom". Science 339, 52-55.
• Gantz, Carroll (2015). La réfrigération: une histoire. Jefferson, Caroline du Nord: McFarland & Company, Inc. p. 227. ISBN 978-0-7864-7687-9.
•  Nash, J. M. (1991) "Vortex Expansion Devices for High Temperature Cryogenics". Proc. de la 26e conférence intersociétés d'ingénierie de conversion d'énergie, Vol. 4, p. 521-525.