Công nghệ siêu lạnh cryogenics là gì?

Khi vật chất ở vào một trạng thái rất lạnh khoảng dưới -100 độ C thì tính chất của nó có thể thay đổi, thí dụ trở thành chất siêu dẫn (superconductor). Công nghệ cryo (cryogenics) là một ngành khoa học chuyên nghiên cứu tính chất của các vật liệu ở một nhiệt độ cực lạnh, những phương pháp để giữ lạnh ở nhiệt độ thấp và những ứng dụng của nó trong các ngành khác. Cryo là từ chữ Hy Lạp “kryos” có nghĩa là lạnh hay băng giá và genic có nghĩa là sản xuất.

Trạng thái cryo là gì?

Các nhà khoa học không thống nhất trong định nghĩa về trạng thái cryo, tức là lạnh tới bao nhiêu độ thì được coi là ở trạng thái cryo. Tuy nhiên theo Viện Tiêu Chuẩn và Kỹ Thuật Quốc Gia Hoa Kỳ (National Institute of Standards and Technology) thì trạng thái cryo bắt đầu từ nhiệt độ âm 180 độ C.

Nhiệt độ tuyệt đối: Nhiệt độ của một vật chất (lỏng, rắn hay hơi) là một đo lường sự chuyển động của các nguyên tử hay phân tử của vật chất đó. Vật chất nào có các phân tử chuyển động nhanh thì có nhiệt độ cao hơn là vật chất có phân tử chuyển động chậm.

Năm 1848, nhà vật lý người Anh William Thomson (sau này được phong tước và được biết đến là Lord Kelvin) nghĩ là có thể có một trạng thái của vật chất mà mọi phân tử trong đó hầu như hoàn toàn không chuyển động. Khi không có chuyển động thì không có hơi nóng và không có nhiệt độ. Ông Thomson định nghĩa tình trạng đó là tình trạng độ không tuyệt đối (absolute zero).

Tính theo bảng nhiệt độ Celsius thì độ không tuyệt đối là -273.15 °C. Các nhà khoa học cũng dùng một bảng thang nhiệt độ gọi là nhiệt độ kelvin để vinh danh ông Thomson, viết tắt là K. Một đơn vị của thang nhiệt độ kelvin cũng bằng một đơn vị của độ Celsius, nhưng 0 K là độ không tuyệt đối. Tức là 0 K thì bằng -273°C và ngược lại 0°C thì bằng 273 K.

Các chất lỏng cryo

Có những chất khí mà hồi xưa người ta tưởng là không thể ở dạng lỏng được, nên gọi là khí vĩnh cửu (permanent gas). Nhưng vào thế kỷ thứ 19, các nhà khoa học đã bắt đầu có thể lỏng hóa (liquefy) các chất khí vĩnh cửu. Oxy được lỏng hóa đầu tiên vào năm 1887 ở nhiệt độ 90.2 K ở áp suất không khí bình thường. Nhiệt độ đó cũng được gọi là điểm sôi, có nghĩa là oxy đang ở thể lỏng và có nhiệt độ dưới 90.2 K, nếu nhiệt độ ấm lên tới 90.2 K thì oxy sẽ bốc thành hơi.

Sau đây là điểm sôi của vài chất lỏng cryo (cryogens): mêtan  111.6 K, argon 87.3 K, nitơ 77.3 K, hydro 20.4 K, và heli 4.2 K.

Làm sao để đạt tới trạng thái cryo

Có nhiều cách để làm lạnh tới trạng thái cryo. Phương pháp đơn giản nhất và dựa vào nguyên tắc sự truyền nhiệt (heat transfer). Hai vật chất để gần nhau thì nhiệt sẽ truyền từ vật nóng qua vật lạnh. Hậu quả là vật nóng sẽ lạnh đi và vật lạnh sẽ ấm lên. Như vậy muốn cho vật nào lạnh tới trạng thái cryo thì nhúng vật đó vào một bình đựng chất lỏng cryo.

Nhưng muốn có chất lỏng cryo thì phải làm sao? Đa số các phương pháp chế tạo ra chất lỏng cryo  đều dựa vào sự nén ép và giãn nở của các loại khí. Một chất khí bị ép thì sẽ sinh ra nhiệt. Nhiệt này được hút ra ngoài, hơn nữa khí ép có thể được cho làm lạnh xuống hơn bởi một bộ hoán nhiệt. Sau đó khí ép được cho giãn nở ra. Như vậy khí sẽ lạnh hơn nữa và một phần sẽ hóa lỏng. Tiếp tục chu kỳ đó cho tới khi chất khí biến thành chất lỏng cryo.

Đo nhiệt độ: Ở trạng thái cryo những nhiệt kế thường không dùng được vì sẽ bị đông đá. Muốn đo nhiệt độ cryo thì cần phải có những bộ cảm biến đặc biệt. Một dụng cụ đặc biệt gọi là bộ cảm biến có sức chịu lạnh (resistance temperature detector) được dùng để đo nhiệt độ xuống tới 30 K.

Bình chứa chất lỏng cryo: Chất lỏng cryo thường được chứa vào một loại bình đặc biệt, gọi là bình Dewar, được đặt tên theo người đã phát minh ra kiểu bình này, ông James Dewar. Bình Dewar có hai lớp. Ở giữa hai lớp là chân không để cách nhiệt. Bình nay có chỗ để hơi thoát ra để tránh áp suất trong bình tăng lên quá cao và có thể nổ.

Những ứng dụng của công nghệ cryo

Có rất nhiều ứng dụng của công nghệ cryo, từ hỏa tiễn, y khoa cho tới kỹ nghệ. Sau đây là một vài ứng dụng quan trọng.

-Nhiên liệu cho hỏa tiễn

Từ thập niên 1960 NASA đã biết rằng hydrô lỏng (liquid hydrogen) là một nhiên liệu có hiệu năng cao nhất cho hỏa tiễn khi kết hợp với một chất oxy hóa (oxidizer) như oxy lỏng. Nhưng hydro lỏng và oxy lỏng là hai chất lỏng cryo, cần phải giữ ở một nhiệt độ cực lạnh. Hydro lỏng cần phải giữ ở nhiệt độ -253 độ C và oxy lỏng ở -183 độ C. Nên có rất nhiều vấn đề kỹ thuật cần phải vượt qua mới dùng được cho hỏa tiễn. Năm 1962, hỏa tiễn Centaur dùng nhiên liệu hydro lỏng đã phát nổ chỉ sau 54 giây. Sau đó nhiều nhà khoa học trong NASA kể cả cha đẻ ngành hỏa tiễn Wernher Von Braun đã phản đối việc dùng hydro lỏng làm nhiên liệu cho hỏa tiễn vì có quá nhiều khó khăn về kỹ thuật. Nhưng cuối cùng NASA cũng vượt qua được những khó khăn và bây giờ hydro lỏng là nhiên liệu được dùng trong nhiều hỏa tiễn như hỏa tiễn chính của tàu con thoi (Space Shuttle). Bây giờ các nước Nga, Nhật Bản, Trung Quốc, Ấn Độ cũng như Châu Âu đều dùng hydro lỏng làm nhiên liệu cho nhiều loại hỏa tiễn.

-Siêu dẫn

Một chất siêu dẫn (superconductor) là một chất dẫn điện mà không bị thất thoát năng lượng như tỏa nhiệt. Cho đến bây giờ chất siêu dẫn chỉ tồn tại ở một nhiệt độ cực thấp khoảng từ 100 K tới 10 K. Điện truyền đi xa bằng những dây điện như đồng bị mất năng lượng rất nhiều. Nếu dùng chất siêu dẫn thì không bị thất thoát, nhưng duy trì dây dẫn điện ở một nhiệt độ cực thấp thì rất tốn kém, nên trên thực tế chưa được áp dụng.

-Y khoa

Giải phẫu cryo (Cryosurgery)– Đây là kỹ thuật dùng nitơ lỏng để tiêu diệt những tế bào bệnh. Khi nhiệt độ bị giảm xuống cực lạnh thì nước trong tế bào đông thành tinh thể đá và làm chết tế bào đó. Giải phẫu cryo đã được dùng từ nhiều năm trong việc chữa trị ung thư da và cũng được dùng để trị một số các loại ung thư khác.

Máy tạo ảnh cộng hưởng từ MRI – Máy tạo ảnh cộng hưởng từ (magnetic resonnance imaging, thường được gọi là MRI) cần có một từ trường thật là mạnh. Để tạo ra một từ trường mạnh các máy MRI thường dùng một nam châm siêu dẫn (superconducting magnet). Kỹ thuật cryo được dùng để giữ các cuộn dây của nam châm siêu dẫn ở nhiệt độ -269 độ C.

Làm đông lạnh thực phẩm – Nitơ lỏng có thể được dùng để làm đông lạnh nhanh thực phẩm như đồ biển và các loại thịt.

Công nghệ cryo trong tương lai

Vẫn còn nhiều ứng dụng của công nghệ cryo hiện đang trong giai đoạn nghiên cứu và phát triển. NASA mới nhận tài trợ một dự án nghiên cứu ở Đại Học Illinois về vấn đề dùng hydro lỏng ở trạng thái cryo để chứa năng lượng cho máy bay điện. Trong tương lai chắc còn nhiều ứng dụng thực tế của công nghệ cryo. (Hà Dương Cự)

—-
Nguồn tài liệu
http://www.scienceclarified.com
https://cryogenicsociety.org/
https://trc.nist.gov