التبريد العميق Cryogenics
ماذا تعرف عنه ؟ وما هي فوائده وتطبيقاته؟

تعريف التبريد العميق :

يعرف التبريد العميق Cryogenics على أنه فرع من الفيزياء والهندسة المختص بدراسة إنتاج درجات الحرارة المتدنية جداً وتأثيراتها.
اقتبست كلمة Cryogenics من الكلمتين اليونانيتين kryos والتي تعني التجمد و genic التي تعني إنتاج.
من التعريف السابق قد يظن البعض أنه من الممكن أن يتضمن استخدام هذا المصطلح جميع درجات الحرارة تحت درجة تجمد المياه (الدرجة صفر سيليزيوس عند الضغط الجوي).
ولكن تم استخدام هذا المصطلح لأول مرة عام 1894م من قبل الفيزيائي الهولندي الحائز على جائزة نوبل البروفيسور Heike Kamerlingh Onnes من جامعة ليدن Leiden. وقد أطلقه البروفيسور أونيس للإشارة إلى تمييع الغازات الدائمة التي تمتلك درجة غليان متدنية جداً مثل الأكسجين والنيتروجين والهيدروجين والهيليوم والتي يقترب بعضها من الصفر المطلق (الصفر المطلق هو أخفض درجة حرارة في الكون والتي يكون ضغط الغاز عندها مساوياً للصفر وتكون لجميع ذرات وجزئيات المادة أقل طاقة. وتقابل -273.15 درجة على مقياس سيليزيوس).
وبشكل عام يمكن تحديد قيم درجات حرارة التبريد العميق بحيث تكون أخفض من -150 درجة مئوية.

ماذا يختلف عن التبريد العادي؟ ولماذا احتجنا إلى تصنيف جديد؟

يعرف التبريد بشكل عام على أنه عملية نزع الحرارة من جسم درجة حرارته تساوي درجة حرارة المحيط والحفاظ عليها مهما تغيرت درجة حرارة الوسط المحيط.
ولكن التطبيقات التقليدية للتبريد (مثل حفظ المواد الغذائية وتأمين الراحة للإنسان) لا تحتاج إلى درجات حرارة متدنية جداً. وبالتالي تكون تقنية التبريد التقليدية التي تعتمد على التحول الطوري لوسيط التبريد كافية للقيام بعمليات التبريد المطلوبة (حيث يتم امتصاص وطرح الحرارة عبر تبخر وتكاثف وسيط التبريد).
ولكن وسائط التبريد الشائعة مثل الفريونات والأمونيا تكون درجة غليانها أكثر من -150 درجة مئوية وبالتالي لا يمكن الاستفادة من تحولها الطوري للوصول إلى درجات أدنى وبذلك نحتاج إلى تقنيات أخرى لإنتاج درجات حرارة منخفضة تعرف باسم التبريد العميق Cryogenics.

التقنية المستخدمة للتبريد العميق :

يعتمد التبريد العميق على تسييل الغازات الدائمة باستخدام دورة كلود Claude cycle أو دورة هامبسون ليند Hampson–Linde cycle الحراريتين والتي سنخصص المقال القادم للحديث عنها بشكل تفصيلي إن شاء الله.

تطبيقات التبريد العميق :

للتبريد العميق تطبيقات عديدة وأهمها :

1- في المجال الطبي : معالجة التشوهات الجلدية وسرطانات الكبد والبروستات والرحم وعنق الرحم، وتدمير النسج المشوهة باستخدام أداة الجراحة الباردة Cryoprobe.
وتعتمد بعض عمليات الجراحة مثل الجراحة لعلاج داء باركنسون وعمليات شبكية العين على تقنيات التبريد العميق فيما يعرف باسم الجراحة بالتبريد Cryosurgery. كما يستخدم النيتروجين السائل في حفظ المواد البيولوجية مثل الأجنة والأنسجة والدم والنطاف لفترات طويلة.

2- أنظمة الدفع الصاروخي : حيث تستخدم المركبات الفضائية الأكسجين السائل كمادة مؤكسدة ويستخدم الهيدروجين السائل في المراحل الأخيرة من الإقلاع.

3- تطبيقات الفيزياء النووية : تم استخدام الجليد الثقيل المصنوع من الماء الثقيل D2O كوسيط مبطئ للنترونات بحيث يبرد الجليد حتى درجة -253 مئوية لتخفيض سرعة النترونات الخارجة من المفاعل. كما يستخدم الهيليوم السائل في تبريد النوى الداخلية.

4- في العمليات الصناعية : يستخدم التبريد العميق في عمليات الخراطة والتثقيب والفرز الخاصة بالمواد الكربيدية الصلبة التي لا تستطيع أدوات القطع التقليدية تنفيذها وإنما ينتج عنها درجات حرارة مرتفعة جداً تغير من بنية أدوات القطع. مثل عمليات تصنيع الفولاذ الكربوني القاسي High Carbon Steel.

5- في المجال الإلكتروني : يمكن جعل المواد الناقلة للكهرباء ذات موصلية فائقة Superconducting بمقاومة كهربائية معدومة وطرد الحقول المغناطيسية المؤثرة فيها عبر تبريدها إلى درجة حرارة ما دون الدرجة الحرجة Critical point.
وبذلك يمكن توظيف هذه المواد في تصنيع الأجهزة الإلكترونية ذات الموصلية الفائقة SQUID والتي تستخدم في مقاييس الجهد Voltmeters ومقاييس المغناطيسية Magnetometers الرقمية الحساسة. كما تمكن هذه التقنية من جعل الكابلات السبائكية تنقل الطاقة الكهربائية عبر مسافات طويلة دون ضياعات عن طريق تبريدها بالنيتروجين السائل أو الهيليوم السائل.

المصادر:
1- https://cryogenics.nist.gov/AboutCryo…/about%20cryogenics.htm
2- https://www.cevgroup.org/cryogenics-basics-applications/
3- https://en.wikipedia.org/wiki/Superconductivity