Was ist Kryotechnik?

Synonyme für die Kryotechnik sind Kryogenik beziehungsweise Tieftemperatur oder Kältetechnik. Angewandt wird sie zur Erzeugung tiefster Temperaturen, etwa für die Verflüssigung von Gasen. Der so erreichte Temperaturbereich liegt oftmals unterhalb von – 150° C.

Wofür wird die Kryotechnik eingesetzt?

Es gibt Anwendungsbeispiele für die Kryotechnik aus ganz unterschiedlichen Bereichen. Die Spanne reicht von den Materialwissenschaften über die Medizin bis hin zur Lebensmitteltechnik.

In den beschriebenen Branchen gibt es unzählige Erfordernisse, kalte Temperaturen herzustellen, zu halten, zu nutzen und sogar zu transportieren. Hierbei ist die Vakuumtechnik unverzichtbar, da sie eine bestmögliche Isolierung ermöglicht. Gemeinsam mit anderen Isolatoren sorgt das Vakuum in der Ummantelung von Tanks und Transportleitungen für Bedingungen, bei denen kaum noch ein Wärmeverlust feststellbar ist. Wie gut dieses Prinzip funktioniert, kann man etwa an einer Sprühdose mit Deodorant feststellen: Diese muss selbstverständlich nicht im Kühlschrank oder gar in der Gefriertruhe gelagert werden. Trotzdem ist das Deospray aufgrund des Vakuums in der Umhüllung stets angenehm kühl. Wenn es einmal eingefüllt wurde, kann das kalte Spray nahezu keine Wärme aus der Umgebung annehmen. Gleiches gilt auch für technisches Flüssiggas.

Abhängig von der Substanz kann sich in diesem ultrakalten Temperaturbereich der Aggregatzustand verändern. Das kann man sich ähnlich vorstellen wie beim Wasser: Oberhalb von 100° C beginnt es zu sieden, unter 0° C hingegen gefriert es zu Eis. Von kryogenen Bereichen ist dieses alltägliche Element allerdings sehr weit entfernt. Doch viele Gase verflüssigen sich erst bei extrem niedrigen Temperaturen. Die für die Verflüssigung von Gasen erforderlichen werte sind natürlich abhängig vom jeweiligen Stoff. Sauerstoff etwa wird bei einer Temperatur von -183° C flüssig, Helium gefriert sogar erst bei -269° C. Wasserstoff braucht es noch kälter: Er verflüssigt sich erst bei -252,9° C. Ähnlich wie bei der Arbeit im sehr heißen Temperaturbereich würde auch die Kryotechnik ohne entsprechende Schutzmaßnahmen eine recht große Gefahr darstellen. Daher kommt sie nicht ohne eine spezielle Kryo-Überwachungstechnik aus. Diese umfasst die Geräte zur Datenerfassung und deren Visualisierung sowie die erforderlichen Alarmsysteme.

Wie können ultrakalte Temperaturen überhaupt erzeugt werden?

Die Erreichung ultrakalter Temperaturen war für die Forschung und Wissenschaft bis Ende des 19. Jahrhunderts nicht zu erreichen. Nach der Erfindung des ersten Kühlschrankes wurden hier aber regelrechte Quantensprünge gemacht. Heute sind die vier folgenden Methoden gängig, um kryogene Temperaturen zu erzeugen.

• Nutzung der Wärmeleitfähigkeit: Zwei Materialien werden so miteinander in Verbindung gebracht, dass sich die Wärme von der wärmeren Substanz auf die kältere überträgt. Dieses Prinzip ist auch im kryogenen Temperaturbereich anwendbar. Bringt man also ein Gas oder einen Feststoff mit einer bereits extrem kalten Substanz in Verbindung, wird das wärmere Material ebenfalls heruntergekühlt.
• Die Energieübertragung: Tatsache ist, dass die Moleküle und Atome in flüssiger Form weniger energiereich sind als im gasförmigen Zustand. Werden flüssige Stoffe verdampft, so bekommen die Moleküle oder Atome von der umgebenden Flüssigkeit ausreichend viel Energie für den Übergang in den gasförmigen Zustand. Gleichzeitig verliert die Flüssigkeit an Energie, was zu einer Absenkung ihrer Temperatur führt.
• Der Joule-Thomsen-Effekt: Durch eine schnelle Ausdehnung des Volumens oder einen schnellen Druckabfall können Gase ebenfalls gekühlt werden. Diese Methode wird besonders für die Verflüssigung von Helium oder Wasserstoff genutzt.
• Die Absorbierung von Wärme durch paramagnetische Salze: Paramagnetische Salze sind kleine Magnete, die in einem starken Magnetfeld Energie erzeugen. Das damit in Kontakt kommende Gas kann dabei bis in den kryogenen Bereich heruntergekühlt werden.

Welche praktischen Beispiele gibt es für die Nutzung der Kryotechnik?

Im Alltag kommen die meisten Menschen lediglich mit ihrem Kühl- und Gefrierschrank in Berührung. Die hier beschriebene kryogene Technik scheint also aus einer anderen Welt zu stammen. Tatsächlich jedoch profitiert quasi jeder von der Kryotechnik, etwa in der beschriebenen Lebensmitteltechnik. So wäre etwa die Herstellung von gefriergetrockneten Produkten wie Instant-Kaffee ohne die Kryotechnik nicht denkbar. Auch das in den letzten Jahren immer beliebter werdende Fruchtpulver kann nur durch kryogene Verfahren hergestellt werden.