Auch in der Raumfahrt kommt die Kryotechnik zum Einsatz
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Kälte kann viel mehr, als uns nur einen eisigen Winter bescheren.
Cryogenics [2] ist eine Kühltechnik, die in vielen Bereichen eingesetzt wird – von der Schockbehandlung von Metallen über die Kühlung von Lebensmitteln bis hin zur kryogenen Energiespeicherung.
In diesem Artikel wird das Thema genauer unter die Lupe genommen und es gibt einen Einblick in die Funktionsweise und in die verschiedenen Einsatzgebiete.
Einführung in die Kryotechnik
Die Kryotechnik ist ein Kühlverfahren, das primär in der Industrie eingesetzt wird. Kryotechnische Anlagen können sehr große Mengen an Gasen und Flüssigkeiten kühlen und so die Produktionsprozesse in vielen Bereichen optimieren.
Sie basiert auf dem Prinzip des Joule-Thomson-Effekts: Ein gasförmiges Medium wird durch einen so genannten Kompressor in einen höheren Druckzustand gebracht. Durch das anschließende Expandieren des Gases wird es abgekühlt.
Die Kryotechnik kann in vielen verschiedenen Industriezweigen eingesetzt werden, kommt sie in Anlagen zum Einsatz, in den eine konstante Temperatur herrschen muss, kommt auch der Unterkühler [3] in Gebrauch. So können etwa Lebensmittelproduzenten mithilfe von Kryokonservierung die Haltbarkeit ihrer Produkte erhöhen.
Auch in der Raumfahrt spielt diese eine wichtige Rolle, da sie zum Beispiel bei der Herstellung von Treibstoffen für Raketen verwendet wird.
Einige der weiteren Anwendungsgebiete sind:
- Kühlung von Hochleistungsprozessoren
- Lagerung von biologischen Proben
- Produktion von Superlegierungen
- Strahlentherapie
- Wasserstoffproduktion
Es gibt verschiedene Verfahren, die zu unterschiedlichen Einsatzzwecken eingesetzt werden.
Kühlverfahren mit Stickstoff und Helium
Hierbei handelt es sich um ein Verfahren, bei dem Stickstoff und Helium zur Kühlung von Objekten eingesetzt werden. Dieses Verfahren wird vor allem in der Raumfahrt und der Halbleiterindustrie eingesetzt. Es kann aber auch zur Lagerung von Materialien verwendet werden, die sehr empfindlich auf Hitze reagieren.
Das Verfahren basiert auf dem Prinzip der Wärmeleitung. Bei diesem Verfahren wird die Wärmeenergie von einem Objekt an ein anderes übertragen. In der Regel wird die Wärmeenergie von einem heißeren Objekt an ein kälteres übertragen.
Um ein Objekt zu kühlen, wird die Wärmeenergie von diesem an Stickstoff oder Helium übertragen. Der Stickstoff ist ein Gas, das bei Raumtemperatur flüssig ist. Er hat einen sehr niedrigen Siedepunkt und kann daher leicht verdampfen. Der Siedepunkt des Heliums ist noch niedriger als der des Stickstoffs. Daher ist es bei Raumtemperatur fest und muss erst unter Druck gesetzt werden, um flüssig zu werden.
In der Regel wird Stickstoff zur Kühlung von Objekten verwendet [4], da er günstiger ist als Helium. Allerdings hat Helium den Vorteil, dass es die Wärme besser leitet als Stickstoff. Daher ist es oft in Anwendungen zu finden, in denen eine besonders hohe Kühlleistung erforderlich ist.
Kryoschockbehandlung von Metallen
Hier sprechen wir von einem Verfahren, bei dem Metalloberflächen durch Kälteeinwirkung härter und widerstandsfähiger werden. Dieses Verfahren wird vor allem bei metallischen Werkstoffen angewendet, die hohen mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt sind, z. B. bei Werkzeugen oder Bauteilen für die Automobilindustrie [5].
Die Kryoschockbehandlung verbessert die Härte, Zähigkeit und Verschleißfestigkeit der behandelten Metalloberflächen.
Die Behandlung basiert auf dem Prinzip der Kälteeinwirkung. Durch die Einwirkung von sehr tiefen Temperaturen auf die Metalloberfläche wird eine Härtung der Oberfläche erzielt. Die tiefen Temperaturen werden dabei mittels flüssigen Stickstoffs erreicht. In der Regel kommt es dabei zu Temperaturen von unter -100 °C.
Sie ist also ein sehr effektives Verfahren, um die Härte und Zähigkeit von Metalloberflächen zu verbessern. Vor allem bei Werkzeugen und Bauteilen, die hohen mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt sind, kann dieses Verfahren eine erhebliche Verbesserung der Lebensdauer und Qualität der Produkte erreichen.
Fazit – bereits ein fester Bestandteil vieler Industrien
Die Kryotechnik ist ein vielseitiges Kühlverfahren, das in zahlreichen Industrien zum Einsatz kommt. Ob in der Medizin, der Raumfahrt oder der Metallverarbeitung – die Kryotechnik kann überall dort eingesetzt werden, wo es auf präzise Temperaturen ankommt. Durch ihre präzise Kühlung können komplexe Abläufe sichergestellt und Materialien geschützt werden.
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