Kriyojenik, malzemelerin çok düşük sıcaklıkta gözlenen özellikleri üzerine yapılan bilimsel bir çalışmasıdır. Kelime yapısı olarak incelendiğinde Yunanca kökenli olduğu görülmektedir ve soğuk anlamına gelen kriyo ve üretme anlamına gelen genik kelimelerinden türetilmiştir. Terim fizik ile ilişkilidir, ancak ilaçlar, malzeme bilimi ve elektronik dâhil olmak üzere çok çeşitli konularda uygulamaları bulunmaktadır. Bilim adamları ve bu alandaki uzmanlara ise kriyojenik denmektedir.
Kriyojenik Standartlar
Bir malzemenin kriyojenik olarak tam olarak ne kadar soğuk olması gerektiği, bilim camiası arasında biraz belirsizdir. Günümüzde, ABD Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü’ne (NIST) göre, kriyojenikler, freon ve hidrojen sülfür gibi popüler soğutucu akışkanların gaz halinde olduğu bir sıcaklık olan -180 ° C’nin (93,2 K) altındaki sıcaklıklarda incelenen malzemelerle ilgilidir. Altında oksijen, azot, hidrojen ve helyum gibi kalıcı gazların sıvı haldedir. Ayrıca, normal basınçta sıvı azotun kaynama noktasının üzerindeki sıcaklıklarla, yani −195,8 ° C’den (77,4 K) ila −50 ° C’ye kadar olan sıcaklıklarla ilgilenen yüksek sıcaklık kriyojenikleri adı altında özel bir çalışma alanı da bulunmaktadır.
Kriyojenik Sıvı
Kriyojenik uygulamalarda yaygın olarak kullanılan baı sıvılar listelenmiştir ve bunlar aşağıdaki gibidir:
Kriyojenik sıvı Kaynama noktası
Kelvin (K) dilinde Satigrat Cinsinden (o C)
Helyum-3 3,19 -269,96
Helyum-4 4,21 -268,94
Hidrojen 20,27 -252,88
Neon 27,09 -246,06
Azot 77,09 -196,06
Hava 78,80 -194,35
Flor 85,24 -187,91
Argon 87,24 -185,91
Oksijen 90,18 -182,97
Metan 111,70 -161,45
Kriyojenik alan, bilim adamlarının düşük sıcaklıklara maruz kalan metallerin aşınma ve yıpranmaya karşı daha fazla direnç gösterdiğini keşfettikleri ikinci dünya savaşı sırasında ilerleme kaydetmiştir. Bu kriyojenik sertleşme teorisine dayanarak, kriyojenik işlemenin ticarileşmesi 1960’lı yılların sonlarında başlamıştır. 1965 yılında Ed Busch adında bir işadamı, Detroit’te bir CryoTech şirketi kurmuştur. Busch, ısıl işlem endüstrisinde bir geçmişe sahiptir ve kriyojenikler kullanarak metal aletlerin ömrünü % 300 – % 500 arasında iyileştirme olasılığını düşündükten sonra şirkete başlamıştır.
Kriyojenik Malzemelerle İşlem
Kriyojenik sıvılar genellikle ünlü bilim adamı James Dewar’ın adını taşıyan Dewar şişeleri adı verilen özel kaplarda saklanmaktadır. Bunlar, duvarlar arasında yalıtım vakumu olan çift duvarlı kaplardır. Dewar şişeleri, sıvı helyum gibi aşırı soğuk sıvıların bile depolanması için tasarlanmıştır. Bu şişeler, aksi takdirde patlamaya yol açabilecek şekilde kaynama basıncının artmasını önlemek için gazın konteynırdan kaçmasına izin vermektedir. Bununla birlikte Kriyojenlerin sıcaklığını ölçmek için özel sensörler gerekmektedir. Düşük maliyetleri nedeniyle, direnç sıcaklık dedektörleri (RTD’ler) -243 o C kadar düşük sıcaklık ölçümleri almak için tercih edilmektedir ve o ° C, özel silikon diyot kullanılmaktadır.
Kriyojenik Uygulamalar
Kriyojenikler tıp, uzay, teknoloji vb. gibi çeşitli disiplinlere uygulanabilmektedir ve bunlar aşağıdaki gibidir:
Kriyocerrahi
Kriyocerrahi, kriyojeniklerden türetilmiş, cerrahide kriyojenik malzemeler kullanılarak anormal veya hastalıklı dokuların yok edilmesini içeren tıbbi bir branştır. Kriyocerrahi, vücut sıcaklıkları üzerindeki donma sıcaklıklarının yıkıcı kuvvetinden yararlanan minimal invaziv bir cerrahidir. Sıcaklık belirli bir seviyenin altına düştüğünde, hücre içinde buz kristalleri oluşmaya başlamaktadır. Bu hücre yoğunluğunu azaltarak ayırmaktadır. Bu şekilde kriyocerrahi, iç ve dış tümörlerin yanı sıra kemikteki tümörlerin tedavisinde kullanılmaktadır. İç tümörleri tedavi etmek için kriyoprob adı verilen içi boş bir alet kullanılmaktadır; bu cihaz tümörle temas ettirilmektedir. Argon gazı veya sıvı azot, bu kriyoprobdan tümörlü alandan geçirilmektedir. Kriyoprobu manevra etmek ve hücre dondurma işlemini izlemek için genellikle bir ultrason veya MRI kullanılmaktadır. Bu şekilde yakındaki dokulara verilen hasar en aza indirilebilmektedir.
Kriyoelektronik
Kriyoelektronik veya kriyotronik, tipik olarak kriyojenik koşullar altında süper iletkenliği incelemeyi içeren kriyojeniklerden türetilen bir mühendislik dalıdır. Kriyoelektronik nispeten yeni bir alandır ve devrimci uygulamalar ile ilgili birçok çalışma halen devam etmektedir. Herhangi bir yeni teknolojinin kaderini belirleyen anahtar faktör, faydası ve maliyet etkinliğidir. Bilgisayarlar, bilgi iletim hatları ve manyetokardiyografi gibi kriyoelektronik ve süperiletkenliği kullanabilen cihazlar ve araçlar büyük ticari potansiyele sahiptir. Bilim adamları, süperiletkenlik üzerinde çalışan bir anahtar olan tünelleme kriyotronu ile bilgisayarları daha ucuza üretmek için kriyojenikler üzerinde çalışmaktadırlar. Büyük şehirlerde, havai kablolar kullanılarak elektrik enerjisi iletilmesi mümkün değildir, bu nedenle yeraltı kabloları kullanılmaktadır. Bununla birlikte, bu yeraltı kabloları, güç kaybına neden olan tel direncini artırarak ısıtılmaktadır. Süper iletkenler yani sıfır iç dirence sahip iletkenler, helyum veya azot gibi kriyojenik sıvılar kullanılarak da elde edilebilen güç verimini artırarak bu güç israfını durdurmak için lanse edilmektedir.
Elektrik enerjisi iletimi için süper iletkenliği elde edilmesinde kriyojeniklerin nasıl kullanılabileceğini anlamak için birkaç test ve fizibilite çalışması devam etmektedir. Kriyo elektronik, akım, gerilim ve gücün daha hassas okumalarına ve ölçümlerine izin vermektedir, ayrıca uzay aracı ve biyomedikal enstrüman gibi hassas kontrol gerektiren çok heyecan verici uygulamalar bulabilmektedir.
Diğer uygulamalar
Tıp ve elektronik alanlarının yanı sıra, kriyojenik uygulamalarını birçok başka alanda da bulmaktadır. Roketler ve uzay araçları için sıvı hidrojen ve sıvı oksijen (LOX) gibi kriyojenik yakıtlar üretmek için kullanılmaktadırlar. Kriyojenik dondurma, büyük miktarlarda yiyeceği daha uzun süre taşımak ve depolamak için kullanılmaktadır. Sıvı azot ve karbondioksit kullanan kriyojenik teknoloji, popüler gece kulüplerinde görülen ürpertici bir etki ve beyaz sis oluşturmaktadır. Bu büyüleyici alandaki uygulamaların tek sınırı kendi hayal gücümüzdür!
Kaynakça:
https://www.azonano.com/article.aspx?ArticleID=5091
https://gaslab.com/blogs/articles/what-is-cryogenics
Yazar: Özlem Güvenç Ağaoğlu