В. М. Бродянский. Криогенная техника. Основы специальности

3.2. Зачем нужна криогенная техника

Г. Камерлинг-Оннес при вручении ему Нобелевской премии в 1913 г., говоря о научной работе в области криофизики и криогенной техники, подчеркнул новые возможности, связанные с уменьшением теплового движения атомов и молекул: «… эта работа должна приподнять завесу, которой тепловое движение при обычных температурах закрывает от нас внутренний мир атомов и электронов».

Эти мудрые слова определяют не только то, что может получить от криотемператур физика, но и, более того, - что может получить техника.

Уменьшение беспорядка и «суеты», которые вносит тепловое движение атомов и молекул, дает многочисленные и разнообразные результаты, которые прямо ведут к техническим приложениям. (Слово «прямо» нужно понимать в том смысле, что эти явления ведут только к идеям о техническом применении. Реализация этих идей требует, как мы уже видели, многих изобретений и колоссального труда по их практической реализации.)

Перечислим лишь некоторые из них.

•  Облегчается движение электронов в металле, что приводит к уменьшению электрического сопротивления;
•  замедляются или совсем прекращаются жизнедеятельность и многие химические реакция (и напротив, возникают и становятся возможными другие реакции);
•  газы конденсируются в жидкость и переходят в твердое состояние;
•  уменьшаются собственные шумы в радиоэлектронных устройствах;
•  меняются микроструктура, механические свойства и размеры многих материалов.

При самых низких температурах проявляются и квантовые свойства веществ, такие как сверхпроводимость и сверхтекучесть.

Правильно используя эти и еще другие низкотемпературные эффекты, можно не только усовершенствовать многие технические устройства, но и создать новые, ведущие к революционным переворотам в целых отраслях техники.

Здесь нет места даже кратко описать и проанализировать эти возможности и пути их реализации; они требуют основательного изучения. Популярный обзор, полезный на начальной стадии, можно найти в литературе [18, 19].

Поэтому ограничимся лишь небольшим обзором в соответствии со списком явлений, приведенным выше.

Существенное уменьшение электрического сопротивления проводников при низких температурах позволяет создать многие так называемые криорезистивные устройства, в которых джоулевы потери от выделения тепла в несколько раз меньше, чем у тех, которые работают при обычных температурах (индукционные печи, токоведущие шины). Криорезистивные устройства не требуют столь низких температур и дорогих материалов, как сверхпроводящие, и могут работать на переменном токе.

Замедление или прекращение химических реакций при понижении температуры позволяет сохранять на длительный срок и перевозить без потери питательных и вкусовых качеств быстрозамороженные продукты растительного и животного происхождения (фрукты, овощи, мясные и рыбные продукты). Охлаждение по специальной программе дает возможность сохранять плазму крови, костный мозг людей, сперму сельскохозяйственных животных, бактерии и другие биологические объекты без потери их жизнеспособности после отогрева. Существуют специальные низкотемпературные хранилища, где продукты хранятся месяцы и даже годы. С другой стороны, локальное замораживание в определенном режиме вредных клеток с целью их деструкции (разрушения) позволяет лечить многие болезни, в частности рак. Этот метод привел к созданию нового направления в медицине - криохирургии.

Открытие возможности проведения новых, неожиданных химических реакций при низких температурах, сделанное советскими физико-химиками, позволяет развернуть целое новое направление - криохимию.

Ожижение, а в некоторых случаях замораживание газов дают возможность хранения и транспортирования их в большом количестве при малых объемах, использовать жидкие топлива (например, водород) и окислитель (кислород) в космических ракетах, воздух и кислород - для дыхания водолазов. (Ожиженные газы занимают объем в 800-900 раз меньший, чем газ при нормальных условиях (20°С и атмосферном давлении).)
Жидкий метан может использоваться как относительно дешевое топливо в воздушном, наземном и водном транспорте, перевозиться на морских судах (метановозах). Пузырьковые камеры с ожиженными газами помогают физикам улавливать следы заряженных частиц.

Используя разницу в температурах кипения различных газов, входящих в смесь (например, воздух), можно их разделить, получая кислород, азот, аргон, неон, криптон, ксенон, а из природного газа - гелий, из искусственных газовых смесей - водород. Каждый из этих газов широко используется в технике. Перечисление областей использования каждого из них заняло бы целую страницу. Азот, например, служит исходным материалом для производства миллионов тонн в год азотных удобрений. Аргон в силу своей химической инертности используется для плавки сталей и сплавов в защитной атмосфере, для заполнения электроламп и т.д.

Уменьшение шумов в радиоэлектронных устройствах позволяет осуществлять дальнюю связь, в том числе через космос, создавать сверхчувствительные приемники излучения, приборы ночного видения, тепловизоры и другие уникальные приборы. Результаты исследования поверхности Венеры, проведенные советскими космическими станциями, были переданы на Землю именно таким способом.

Изменение структуры материалов при криотемпературах дает возможность как упрочнять их, так и разрушать, если это необходимо. Режущий инструмент становится в несколько раз долговечнее; вязкие или другие эластичные материалы (как, например, резина) делаются хрупкими и легко дробятся. Сверхпроводимость позволяет создавать электрические двигатели и генераторы намного более компактные, чем с обычными обмотками, качественно новые типы электрических машин, мощные магниты и накопители электрической энергии, криотроны - быстродействующие элементы ЭВМ, ускорители элементарных частиц, МГД-генераторы и многое другое [19].

Этот далеко не полный и с каждым годом пополняющийся список показывает, что криогеника проникает во все виды техники - от производственной до бытовой и помогает выполнять все ее функции, связанные с обработкой материалов, преобразованиями энергии, а также с обработкой и передачей информации.

Следующая страница: Задачи и методы криогенной инженерии