Kryogenik

Cryogenik ist ein physikalisches Fachgebiet, das sich hauptsächlich damit beschäftigt, wie verschiedene Materialien reagieren, wenn sie auf sehr niedrige Temperaturen abgekühlt werden, und welche Reaktionen sie auf diese niedrigen Temperaturen zeigen. In gewisser Hinsicht kann Cryogenik auch als technische Einrichtung verstanden werden, die zur Aufrechterhaltung niedriger Temperaturen beiträgt.

Die Anwendung von Cryogenik ist sehr breit, es ist daher kein Wunder, dass wir sie in mehreren Bereichen finden können. Beispielsweise in der Forschung zur Supraleitfähigkeit sind sehr niedrige Temperaturen erforderlich, die durch verflüssigte Gase wie Helium oder Stickstoff erreicht werden. Zum Beispiel nutzt der Large Hadron Collider bei CERN flüssiges Helium zur Kühlung. Darüber hinaus findet flüssiges Helium auch in der Raumfahrt Anwendung, es wird nicht nur als technisches Gas zur Druckerhaltung in den Tanks von Raketenstufen verwendet, sondern auch zur Kühlung.

Sonden und Satelliten, die direkter Sonneneinstrahlung ausgesetzt sind, sind oft mit einem Helium-Kühlsystem ausgestattet. Dieses System dient nicht nur dem Schutz vor der Sonne, sondern wird auch zur Kühlung von Infrarotspektrum messenden Instrumenten verwendet. Ein weiteres Beispiel ist das Herschel-Weltraumobservatorium. Eine weitere Anwendung im Weltraum sind kryogene Treibstoffe. Dazu gehören flüssiger Wasserstoff und Sauerstoff. Diese Kombination wird vom Space Shuttle oder der Delta IV-Rakete verwendet. In der Maschinenbauindustrie wird Kryogenik für die Wärmebehandlung zur Verbesserung der Stahlstruktur eingesetzt. Bei diesem Verfahren wird die Struktur des Martensits verbessert, und es kommt zum Zerfall des verbleibenden Austenits.

Es gibt mehrere Methoden, die zur Erreichung sehr niedriger Temperaturen eingesetzt werden. Zum Beispiel werden zur Kühlung von Geräten oder für das Tiefgefrieren verflüssigte Gase wie Helium und Stickstoff verwendet. Weiterhin wird zur Verflüssigung von Gasen mehrstufige Kompression und Kühlung verwendet. Ein Beispiel dafür ist der Siemens-Zyklus. Bei diesem Zyklus wird das Gesetz von Gay-Lussac genutzt, wonach die thermodynamische Temperatur eines Gases durch Kompression steigt. Die entstehende Wärme wird durch einen Wärmetauscher abgeführt. Wenn der Druck reduziert wird, sinkt auch die Temperatur. Zu den modernen Techniken gehört die Magnetkühlung, die auf dem Prinzip des magnetokalorischen Effekts basiert.