ما هو التبريد العميق

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 دراسة علمية للمواد وسلوكها في درجات حرارة منخفضة جدا. يشير مصطلح الكرايو إلى البرودة باللغة اليونانية، وكلمة جينيكس تعني العمق. يستخدم هذا المصطلح عادة في سياق الفيزياء وعلوم المواد والطب. يطلق أيضا على العلماء الذين يدرسون علم التجميد باسم التبريد. يمكن وصف المواد المبردة بالتبريد، وعلى الرغم من أنه يمكن قياس درجات الحرارة الباردة باستخدام أي مقياس للحرارة، إلا أن مقياس كلفن ورانكين هو الأكثر شيوعا لقياس التبريد العميق. فهي مقاييس مطلقة تحتوي على أرقام موجبة.

تم تحديد نطاق درجة الحرارة المبردة، وهو من -150 درجة مئوية إلى درجة الصفر المطلق. في هذه الدرجة الحرارة، تكون الحركة الجزيئية قريبة جدا من التوقف التام من الناحية النظرية. ولذلك، يتم عادة وصف درجات الحرارة المبردة في المقياس المطلق أو مقياس كلفن. وتكتب درجة الصفر المطلق كـ 0 K، بدون علامة الدرجة. يمكن تحويل درجات الحرارة من مقياس مئوي إلى مقياس كلفن بإضافة 273 إلى المقياس المئوي.

درجة حرارة التبريد العميق

درجات التبريد العميق تختلف كثيرا عن درجات التبريد المنخفضة العادية، فعند تحقيق درجة التبريد في ظروف قاسية، يتم تغيير خصائص المواد مثل القوة والتوصيل الحراري والليونة والمقاومة الكهربائية بطرق هامة نظرية وتجارية بحتة، ونظرا لأن الحرارة تنشأ عن حركة عشوائية للجزيئات، فإن المواد الموجودة في درجات حرارة التبريد تكون قريبة من الثبات ومنظمة بدرجة عالية.

يعتقد المعهد القومي الأمريكي للمعايير والتكنولوجيا (NIST) أن المواد المبردة يمكن أن تصل إلى درجات حرارة أقل من 180 درجة مئوية، مما يعتبر درجة حرارة أعلى من المبردات الشائعة مثل كبريتيد الهيدروجين والفريون. وتشمل هذه المواد السوائل مثل الهواء والنيتروجين والأكسجين والنيون والهيدروجين والهيليوم. كما يوجد مجال لدراسة المواد المبردة عالية الحرارة المعروفة باسم “التبريد الكريوجيني” والتي تشمل 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.

تخزن السوائل المبردة عادة في أجهزة تسمى حاويات ديوار أو قوارير. تكون هذه الحاويات مزدوجة الجدران وتحتوي على فراغ بين الجدران للعزل. تحتوي قوارير ديوار على حاوية عازلة إضافية مملوءة بالنيتروجين السائل، وتستخدم مع السوائل شديدة البرودة مثل الهيليوم السائل. تمت تسمية قوارير ديوار بهذا الاسم نسبة إلى مخترعها جيمس ديوار. تم تصميمها للسماح للغاز بالهروب من الحاوية ومنع تراكم الضغط من الغليان والانفجار المحتمل.

اكتشاف التبريد العميق

بدأت دراسة التجميد في العام 1877 عندما تم تبريد الأكسجين لأول مرة إلى درجة حرارة −183 درجة مئوية، مما جعله يتحول إلى سائل. ومنذ ذلك الحين، تم ربط التطور النظري لعلم التجميد بالقدرة على تطوير نظم 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.

يتم استخدام Cryomilling لطحن المواد الناعمة أو المرنة جدًا باستخدام التبريد العميق، حيث يتم طحنها في درجات حرارة منخفضة جدًا. كما يمكن استخدام تبريد الجزيئات للوصول إلى حجم جسيمات نانوي صغير جدًا.

مجالات استخدام التبريد العميق

Cryogenics الكرايوجينيكس أو التبريد العميق؛ عبارة عن مجال واسع يشمل العديد من التخصصات، بما في ذلك

• الحفاظ على الحيوانات والأشخاص عن طريق التبريد، بهدف إعادة إحيائهم في المستقبل.
• Cryosurgery هي إحدى فروع الجراحة، حيث يتم استخدام درجات حرارة منخفضة لقتل الأنسجة غير المرغوب فيها أو الخبيثة، مثل الخلايا السرطانية أو الشامة.
• تخصص الإلكترونيات في التبريد يتضمن دراسة الموصلية الفائقة والظواهر الإلكترونية الأخرى في درجات حرارة منخفضة، بهدف التحكم في النطاقات المتغيرة، ويعرف باسم التبريد العميق في التطبيق العملي للإلكترونيات.
• علم الأمراض بالتبريد هو دراسة الآثار التي تسببها درجات الحرارة المنخفضة على الكائنات الحية، بما في ذلك الحفاظ على الكائنات الحية والأنسجة والمواد الوراثية باستخدام التبريد.

حقيقة مثيرة عن التبريد العميق

على الرغم من أن درجة حرارة التبريد العميق عادة ما تكون أقل من درجة تجمد النيتروجين السائل التي تصل إلى أعلى من درجة الصفر المطلق، فقد تمكن الباحثون من الوصول إلى درجات حرارة أقل من الصفر المطلق، والتي تعرف بدرجات حرارة كيلفن السلبية، وذلك في عام 2013. حيث قام البروفيسور أولريش شنايدر من جامعة ميونيخ في ألمانيا بتبريد الغاز إلى ما دون الصفر المطلق، مما أدى إلى زيادة حرارته بدلا من البرودة.