Technologie cryogénique : haute technologie à des températures extrêmement basses 

Technologie cryogénique : haute technologie à des températures extrêmement basses

Une découverte scientifique liée à la manipulation de températures extrêmement basses a peut-être inspiré le super-vilain de Batman, M. Freeze. L’histoire tragique d’un scientifique brillant qui devient fou va de pair avec l’espoir que la cryogénie a fait naître. Sa femme est gravement malade et figée en attendant les progrès médicaux… mais en dehors du cadre du roman ? Peut-on ainsi ralentir le temps, ou accomplir d’autres prouesses en modifiant la température de systèmes mécaniques ou organiques ? oui! Mais avant de pleurer de génie, regardons ce qui s’est réellement passé le soir de l’année de grâce 2020.

Définition : qu’est-ce que la « basse température » ?

Le terme « basse température » est originaire de la Grèce antique κρύος (krúos), signifiant « froid », et le suffixe « -gene », signifiant « donner forme » ou « naître ». Littéralement, la basse température fait référence à la production de froid. En plus de la lexicographie habituelle, le terme est utilisé pour parler des propriétés et des usages d’objets dont la température a été réduite. En effet, de nombreuses avancées ont été rendues possibles grâce aux changements d’état de la matière dont la chaleur est extraite.Par conséquent, en atteignant des nombres proches du zéro absolu (c’est-à-dire -273.15°C)En pratique, on ne sait pas descendre aussi bas. Cela équivaut à l’arrêt complet des molécules qui composent la matière. En effet, l’énergie qui provoque le brassage des atomes correspond strictement à ce qu’on appelle la « chaleur ». Ainsi, longtemps après avoir maîtrisé le feu, l’homme liquéfie les gaz en les refroidissant.

Une brève histoire de la technologie cryogénique

Cette révolution dans l’expertise matérielle a commencé à la fin du XVIIIe siècle, initiée par Martin van Marum. En fait, le physicien néerlandais a réussi à liquéfier l’ammoniac en le comprimant. À proprement parler, il ne s’agit pas encore de technologie cryogénique. Or, c’est cette volonté de liquéfier les substances gazeuses qui dessine les grandes lois de la thermodynamique.

19ème siècle et liquides cryogéniques

En 1845, des tentatives ont été faites pour liquéfier l’oxygène, l’azote, le méthane, le monoxyde de carbone, l’oxyde nitrique et l’hydrogène, mais toujours en vain. Vers cette heure-ci, Guillaume Thomsonalias Seigneur Kelvin, notez que 0 K (Kelvin) est absolument nul.Besoin d’attendre Louis-Paul Cayette, 1877 à découvrir La « détente adiabatique » consiste à ralentir l’agitation thermique du gaz en réduisant la pression. Il fournit également de l’oxygène liquide à 90 K, soit -183,15°, et de l’azote à 77 K. La loi des gaz parfaits, étroitement liée à la température, à la pression et au volume d’un gazle physicien suisse Raoul-Pierre Pictet a commencé à liquéfier l’azote.

Le problème du refroidissement et de la liquéfaction de l’hydrogène

En 1898, un homme nommé James DeWar a abaissé l’hydrogène à 20 K (-253,1 degrés), ce qui en fait un état liquide. Cependant, Il s’avère que cet élément chimique bout également à 20KPar conséquent, il est nécessaire de résoudre le problème difficile du stockage et de la manipulation de l’hydrogène bouillant. Ce sont les vases DeWar, délibérément conçus pour être en métal ou en verre à double couche, qui ont permis aux scientifiques de relever de tels défis.

XXe siècle : l’ère des métaux cryogéniques

En 1908, Heike Kamerling Onnes transforme un autre gaz en liquide en le refroidissant à 3,2 K : C’est de l’hélium. En 1911, son groupe s’intéresse aux métaux et apprend que Mercure devient supraconducteur à 4,2 K (le courant le traverse très bien). Depuis lors, nous avons commencé à rechercher des matériaux supraconducteurs à plus haute température. Ce que nous disent les découvertes contemporaines de J. Gregore Bednorz et K. Alex Muller Oxyde de lanthane, baryum et cuivre, supraconducteurs à 30 KEn 1987, des chercheurs de Houston et de l’Alabama ont découvert un composé supraconducteur à 95 K. aujourd’hui, Le record est détenu par un alliage de thallium, baryum, calcium, cuivre et oxygène avec une température critique de 125 KQuant au zéro absolu, il est approché de près sans être observé…

Deux phénomènes physiques liés à la basse température

Découverte et progrès scientifique sont constamment imbriqués, la solution d’une énigme en entraînant deux ou trois autres. Certaines questions peuvent trouver une réponse dans des branches connexes de la science. En ce sens, c’est ce à quoi la cryonie peut mener.

Supraconductivité des matériaux due au froid extrême

Nous avons fait un point ci-dessus : les températures très basses affectent la résistance d’une substance. La résistivité est « la capacité d’un matériau conducteur à résister au passage du courant à une tension donnée ». En conclusion, le courant traverse plus ou moins le corps selon qu’il est chauffé ou refroidi. La température critique (notée « Tc ») est la quantité de chaleur à laquelle la résistance d’un matériau devient nulle.

Cryogénie et superfluidisation des liquides

Toujours parmi les superpuissances de la matière, des superfluides ont été observés lors de refroidissements extrêmes. La fluidité d’un objet dépend de son adhérence. On appelle « viscosité » un liquide qui résiste au mouvement du liquideÉcoulez et expérimentez la dissipation d’énergie. nous discuterons superfluidité des liquides qui, au contraire, Aucune résistance contre les effets de flux (Si le récipient n’a pas de couvercle, il s’échappera par le plus petit espace, petit à petit, hors du récipient).nous sommes habituellement hélium liquide. De plus, les physiciens semblent avoir plus de mal à comprendre les superfluides que la supraconductivité dans les matériaux cryogéniques.

Quelles sont les applications spécifiques de la technologie cryogénique ?

Il y a beaucoup de! Nous avons tenté de les classer en distinguant les effets du refroidissement sur les systèmes organiques et la cryogénicité de la matière non vivante.

Avantages mécaniques de la technologie cryogénique sur divers matériaux

« Mécanique » fait référence à tous les phénomènes cryogéniques que nous utilisons aujourd’hui pour améliorer la technologie existante.

Technologie basse température pour les produits électroniques

nous avons vu, Le gel des matériaux détruit leur résistance électriqueIls deviennent ainsi supraconducteurs. En conséquence, les applications telles que les électroaimants compacts et économiques pour les accélérateurs de particules sont impressionnantes. Ainsi, le Large Hadron Collider à la frontière franco-suisse a pu confirmer l’existence du boson de Higgs grâce à ces aimants. seul!Encore plus puissamment, la supraconductivité peut rendre Stocke l’énergie nécessaire à la fusion thermonucléaire contrôlée. Elle est beaucoup plus puissante que la fission atomique en termes de création d’énergie !

Carburant cryogénique pour la conquête de l’espace

Plus récemment, les Chinois ont commencé à remplir des fusées Longue Marche 5. Il sera propulsé par un propulseur cryogénique composé d’oxygène liquide et d’hydrogène liquide. Un propulseur est un système chimique conçu pour créer un mélange de gaz qui, lorsqu’il est expulsé, crée une poussée très puissante capable de soulever des objets très lourds hors de l’atmosphère. Les propulseurs cryogéniques sont généralement constitués d’hydrogène liquide. Cependant, cette substance s’évapore rapidement une fois stockée. Par conséquent, il ne peut être utilisé qu’en décollant de la surface de la Terre.

Stockage cryogénique et transport de gaz

Il existe aujourd’hui des réservoirs cryogéniques, également appelés réservoirs cryogéniques. Ils sont principalement utilisés pour transporter des gaz liquéfiés stockés à des températures extrêmement basses. Refroidir leur intérêt ? Cela réduit considérablement leur encombrement, permettant d’en déplacer plus à la fois ! De cette façon, nous pouvons être de plus en plus enclins aux sources d’énergie gazeuses, en particulier celles qui respectent l’environnement. De plus, sur cette question, cette Le laboratoire R&D d’Engie vient de mettre au point un système de stockage cryogénique tamponné permettant de convertir facilement le biométhane en bioGNLSommes-nous vraiment sur la bonne voie pour l’énergie verte ?

Le nettoyage cryogénique : efficace et économique

C’est un procédé simple qui a fait ses preuves partout. La glace sèche projetée avec de l’air comprimé est utilisée pour enlever la saleté des surfaces. Le dioxyde de carbone solide est aussi doux que la craie et ne corrodera pas les murs sur lesquels vous travaillez. De plus, il s’avère que les différences de température peuvent affecter l’efficacité de ce processus. Plus la température de la surface à nettoyer est élevée, moins la pression est nécessaire. La sublimation (passage de l’état solide à l’état gazeux) crée des micro-explosions qui permettent à l’encrassement de se décomposer sans laisser de résidus secondaires.

Cryobiologie et autres effets du froid dans le domaine du vivant

La cryobiologie est l’étude des organismes exposés à des températures extrêmement basses. Il s’agit peut-être simplement de l’adaptation des organismes au froid (microbes, plantes, vertébrés, invertébrés, etc.)D’autre part, on s’intéresse aux avantages de la basse température Préserver les organes, les tissus et même les embryons pour la fécondation in vitroCertaines études sont clairement différentes, comme La surfusion appliquée aux systèmes biologiques (un matériau qui reste liquide lorsque sa température dépasse son point de congélation est appelé surfusion). Voyons maintenant quelques usages du même genre.

Cryogénie alimentaire et pharmaceutique

Même si la cryogénie alimentaire est utilisée pour les matières mortes, il s’agit toujours d’un système organique et est entraîné par un processus de décomposition. Le but est de conserver les aliments, notamment grâce aux deux gaz dioxyde de carbone et azote liquide. Il est…