Ο κόσμος της απόλυτης ακινησίας.
Η χαμηλότερη θερμοκρασία στη γη συναντάται στην Ανταρκτική, -80 έως -90 οέ. Ακόμη και στις πολύ χαμηλές αυτές θερμοκρασίες, τα συστατικά της ατμόσφαιρας παραμένουν στην αέρια φάση, εκτός από το διοξείδιο του άνθρακα και τούς υδρατμούς φυσικά, που είναι παγωμένα. Ομως ο άνθρωπος μπορεί να επιτύχει πολύ χαμηλότερες θερμοκρασίες, όπου τα συστατικά της ατμόσφαιρας σταδιακά υγροποιούνται και εν συνεχεία παγώνουν. Οι θερμοκρασίες αυτές καλούνται συνήθως Κρυογενικές. Τι είναι όμως το κρύο; Τι σημαίνει ότι ένα αντικείμενο είναι ψυχρό;
Τα μόρια ενός υλικού έχουν μία κινητικότητα, η οποία είναι τόσο μικρότερη, όσο χαμηλότερη είναι η θερμοκρασία. Καθώς χαμηλώνει η θερμοκρασία ενός σώματος, η μία μετά την άλλη οι κινήσεις των μορίων σταδιακά παγώνουν. Ωσπου, στο απόλυτο μηδέν1, τα πάντα περιορίζονται σε μία απειροελάχιστη κίνηση.
Στις κρυογενικές θερμοκρασίες δεν υπάρχει η τουλάχιστον αναστέλλεται η ζωη, διότι η ζωη είναι συνδεδεμένη με την κίνηση. Οχι απλώς την κίνηση που γίνεται αντιληπτή με τις αισθήσεις μας, αλλά τις άπειρες κινήσεις των απείρων μορίων που συγκροτούν τούς ζώντες οργανισμούς. Αραγε, έχουν κάποια χρησιμότητα για τον άνθρωπο οι πολύ χαμηλές θερμοκρασίες ή απλώς αποτελούν αντικείμενο επιστημονικής περιέργειας; Μπορεί η ακινησία να υπηρετήσει την κίνηση;
Η χρησιμότητα των κρυογενικών θερμοκρασιών στη μελέτη των ιδιοτήτων της ύλης.
Η έρευνα στην περιοχή των κρυογενικών θερμοκρασιών έχει αποτελέσει ιδιαίτερα σημαντικό κλάδο της επιστήμης, όχι μόνον διότι τα υγροποιημένα αέρια εμφανίζουν ασυνήθιστες ιδιότητες, αλλά και διότι γνωστά υλικά εμφανίζουν ασυνήθιστες ιδιότητες σε χαμηλές θερμοκρασίες, ή μας αποκαλύπτουν ιδιότητες κρυμμένες στις συνηθισμένες θερμοκρασίες. Καθώς τα μόρια αποκτούν σχετική ακινησία σε χαμηλές θερμοκρασίες, εμφανίζουν ομαδικές ιδιότητες, π.χ. μαγνητισμό. Σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες ορισμένα υλικά αποκτούν το εντυπωσιακό και εν πολλοίς ακατανόητο φαινόμενο της υπεραγωγιμότητος, στο οποίο θα αναφερθούμε πιο κάτω κλπ.
Οι κρυογενικές θερμοκρασίες κι εμείς
Ομως τα κρυογενικά υγρά έχουν απαρατήρητα σχεδόν μπει στη ζωη μας και υπηρετούν πολλές φορές ανάγκες μας που σχετίζονται με την υγεία.
Ο ξηρός πάγος
Υψηλότερη κρυογενική θερμοκρασία μπορεί να θεωρηθεί αυτή του ξηρού πάγου. Ο ξηρός πάγος είναι παγωμένο διοξείδιο του άνθρακα και έχει θερμοκρασία -79 βαθμούς Κελσίου. Είναι άσπρος, όπως και το χιόνι, αλλά έχει την ιδιαιτερότητα ότι εξαερώνεται (εξάχνωση), χωρίς να περνά από υγρή φάση, γιαυτό λέγεται και ξηρός. Εάν αφήσουμε ένα κομμάτι ξηρού πάγου στο τραπέζι, θα αρχίσει σιγά σιγά να μειώνεται ο όγκος του και κάποια στιγμή, θα εξαφανιστεί, χωρίς να αφήσει κανένα υπόλειμμα. Ο ξηρός πάγος χρησιμοποιείται στη συντήρηση ή μεταφορά αίματος, οργάνων, φαρμάκων ή διαφόρων βιολογικών παρασκευασμάτων, στη μεταλλουργία για τον καθαρισμό επιφανειών, ή την εύκολη αεροστεγή συναρμογή μεταλλικών κολάρων μετά από συστολή κλπ.
Το υγρό άζωτο• από την κρυοσυντήρηση στην… κρυονική
Το πιο φθηνό και περισσότερο διαδεδομένο κρυογενικό υγρό είναι το υγρό άζωτο. Το άζωτο αποτελεί ως γνωστόν το 78% της ατμόσφαιρας. Υγροποιεῖται στούς -196 οC, (77 Κ) έχει δε ορισμένα πλεονεκτήματα ως ψυκτικό υγρό2. Δεν εξατμίζεται εύκολα (έχει μεγάλη θερμότητα εξάτμισης), και είναι φθηνό (ένα λίτρο υγρού αζώτου στοιχίζει περίπου όσο ένα λίτρο φθηνού αναψυκτικού).
Στις θερμοκρασίες του υγρού αζώτου παγώνουν όλες οι χημικές αντιδράσεις και αναστέλλονται όλες οι βιολογικές λειτουργίες, συμπεριλαμβανομένων και των μηχανισμών αποσύνθεσης των βιολογικών ουσιών. Το υγρό άζωτο μπορεί να θεωρηθεί ως το τέλειο μέσο συντήρησης βιολογικών δειγμάτων για απεριόριστο χρονικό διάστημα. Ως εκ τούτου θεωρείται πολύτιμο, για τη μακροχρόνια συντήρηση ιατρικών ή βιολογικών δειγμάτων, μακροχρόνια συντήρηση κυττάρων και ιστών, ταχεία ψύξη μυελού των οστών και αίματος, συντήρηση ζωικών εμβρύων, βακτηρίων και μυκήτων. Μια κωμικοτραγική εφαρμογή του υγρού αζώτου είναι και αυτή της κρυονικής ή κρυοσυντήρησης ανθρωπίνων σωμάτων. Δηλαδή της κατάψυξης ανθρωπίνων σωμάτων αμέσως μετά τον θάνατο, με την ελπίδα ότι κάποια μέρα η επιστήμη θα έχει προοδεύσει τόσο πολύ, ώστε θα μπορέσει να θεραπεύσει την αιτία από την οποία απεβίωσαν3!…
Το υγρό άζωτο έχει επίσης εφαρμογές στην κρυοχειρουργική, π.χ. θεραπεία ορισμένων ειδών καρκίνου δέρματος.
Το υγρό ήλιο και η υπεραγωγιμότητα
Το υδρογόνο, το ελαφρότερο από όλα τα στοιχεία, υγροποιείται στούς -253ο (20.3 Κ) και παγώνει στούς 14 Κ4. Στη θερμοκρασία αυτή τα πάντα είναι παγωμένα. Υπάρχει μία και μόνο ουσία, το στοιχείο ήλιο, το οποίο συνεχίζει να είναι αέριο και στην χαμηλή αυτή θερμοκρασία. Το ήλιο υγροποιείται περίπου στούς -269 οC (4.2 Κ) και δεν στερεοποιείται σε ατμοσφαιρική πίεση ούτε και σε θερμοκρασίες που πλησιάζουν το απόλυτο μηδέν. Οι χαμηλότερες θερμοκρασίες που μπορεί να επιτύχει ο άνθρωπος (κοντά στο απόλυτο μηδέν) κατορθώνονται με την χρήση του υγρού ηλίου. Σε αντίθεση με το υγρό άζωτο, το υγρό ήλιο είναι πολύ πιο ακριβό (περίπου 30 φορές πιο ακριβό από το υγρό άζωτο) και εξατμίζεται πολύ εύκολα (10 περίπου φορές μικρότερη θερμότητα εξάτμισης). Δεν χρησιμοποιείται ως εκ τούτου στην κρυοσυντήρηση. Εχει όμως εντυπωσιακές εφαρμογές, που στηρίζονται στο φαινόμενο της υπεραγωγιμότητος. Μερικά υλικά, όταν ψυγούν σε θερμοκρασίες υγρού ηλίου, αποκτούν μηδενική ηλεκτρική αντίσταση5. Οι αποκαλούμενοι υπεραγωγοί, μπορούν να διατηρήσουν το ρεύμα και μετά την αποσύνδεση της ηλεκτρικής τροφοδοσίας για χρόνια (στην πραγματικότητα θεωρητικοί υπολογισμοί προβλέπουν 100.000 χρόνια) με μηδενικές απώλειες. Προϋπόθεση είναι βέβαια, η διατήρηση της χαμηλής θερμοκρασίας.
Η υπεραγωγιμότητα ανακαλύφθηκε το 1911 από τον Η. Kamerlingh Onnes σε παγωμένο υδράργυρο. Γιαυτή την ανακάλυψη ο Η. Κ. Οnnes πήρε το βραβείο Νobel Φυσικής το 1913. Στις επόμενες δεκαετίες ανακαλύφθηκαν κι άλλα υλικά που δείχνουν υπεραγωγιμότητα, οπότε και από την δεκαετία του 1960 έγινε η πρώτη εμπορική παραγωγή υπεραγώγιμου σύρματος και άρχισε η ανάπτυξη εφαρμογών6.
«… και κατακυριεύσατε αυτής…»
Σιγουρα οι κρυογενικές θερμοκρασίες δεν είναι απλώς μία ακραία εκδήλωση των φυσικών νόμων, αλλά μέρος της πάνσοφης πρόνοιας του Θεού, όπου τα πάντα, ακόμη και οι αφιλόξενες θερμοκρασίες του απολύτου μηδενός, είναι σχεδιασμένα να υπηρετούν τον άνθρωπο. Η θεϊκή επιταγή «και κατακυριεύσατε» της γης δεν αναφέρεται μόνο στο άμεσο περιβάλλον, αλλά σε όλη τη φύση και σε όλα τα φυσικά φαινόμενα, συνεπώς και στα ακραία φαινόμενα της επιστήμης των χαμηλών θερμοκρασιών.
________
1. Οι φυσικές ιδιότητες των υλικών περιγράφονται με την απόλυτη κλίμακα θερμοκρασιών (κλίμακα Kelvin), η οποία προκύπτει εάν προσθέσουμε 273.15 στη συνήθη κλίμακα Κελσίου. Το 0 Κ (-273.15 βαθμοί Κελσίου) είναι η χαμηλότερη θερμοκρασία που μπορεί να επιτευχθεί στη φύση (απόλυτο μηδέν).
2. Το οξυγόνο (περίπου 22% της ατμόσφαιρας) υγροποιείται 13 βαθμούς πιο ψηλά από το άζωτο και σπάνια χρησιμοποιείται σε κρυογενικές εφαρμογές. Χρησιμοποιείται όμως σαν οικονομικός τρόπος αποθήκευσης οξυγόνου π.χ. στούς πυραύλους και στα σύγχρονα νοσοκομεία.
3. Η μέθοδος που έχει αναπτυχθεί στις Η.Π.Α. από ιδιωτικές εταιρείες, περιλαμβάνει την αντικατάσταση του αίματος με υγρά όπως η γλυκερόλη, που δεν σχηματίζουν κρυστάλλους όταν παγώνουν, αμέσως μετά το θάνατο του πελάτου τους και τη συνεχή συντήρηση του σώματος σε υγρό άζωτο. Οι υποψήφιοι θα πρέπει να έχουν προβλέψει ένα μεγάλο ποσό χρημάτων, το οποίο θα περιέλθει στην εταιρεία της κρυονικής συντήρησης μετά το θάνατό τους, μέσω της ασφαλιστικής τους εταιρείας. Για τούς λιγότερο εύπορους προσφέρεται η δυνατότητα κρύο-συντήρησης μόνο της κεφαλής (το σώμα δίδεται στα κρεματόρια για αποτέφρωση)!… Υποτίθεται ότι θα έχει προοδεύσει τόσο πολύ η ιατρική κάποια στιγμή, ώστε το κεφάλι θα μπορεί να τοποθετηθεί σε νέο σώμα! Η ιατρική του μέλλοντος θα κληθεί όχι μόνο να επανορθώσει την αιτία από την οποία απεβίωσαν οι πελάτες της εταιρείας, αλλά και να διορθώσει και τις βλάβες που προκάλεσε η διαδικασία της ψύξης και απόψυξης! Θα πρέπει δε, προσθέτουμε εμείς, να συνοδεύσει και την προσπάθειά της με τις κατάλληλες… δεήσεις, ώστε να επιστρέψει και η ψυχή στο σώμα!
4. Το υγρό υδρογόνο σπάνια χρησιμοποιείται σε εφαρμογές. Αφενός μεν χρειάζονται ιδιαίτερες προφυλάξεις προς αποφυγήν εκρήξεως, αφετέρου δε το υγρό ήλιο είναι και πιο ψυχρό και ασφαλές.
5. Σε ένα συνηθισμένο αγωγό το ηλεκτρικό ρεύμα είναι κίνηση ηλεκτρονίων. Καθε φορά που τα ηλεκτρόνια συγκρούονται με τα μόρια του υλικού, χάνουν ενέργεια, η οποία μετατρέπεται σε θερμότητα. Η αντίσταση στη διέλευση των ηλεκτρονίων ονομάζεται ηλεκτρική αντίσταση του υλικού, μειώνεται δε εν γένει καθώς μειώνεται η θερμική κίνηση των μορίων σε χαμηλές θερμοκρασίες.
6. Η μελέτη της υπεραγωγιμότητος είχε μία ενδιαφέρουσα συνέχεια στις μέρες μας: Το έτος 1986 οι Berdnorz και Μuller στην Ελβετία, έκαναν την εκπληκτική ανακάλυψη ότι ένα κεραμικό υλικό εμφάνιζε υπεραγωγιμότητα στούς 35 Κ, 5 βαθμούς πάνω από το απόλυτο όριο που είχαν θέσει οι θεωρητικοί φυσικοί. Η ανακάλυψη αυτή έκανε τέτοια εντύπωση στην επιστημονική κοινότητα, ώστε το επόμενο κιόλας έτος, απενεμήθη στούς δυο επιστήμονες το βραβείο Νobel Φυσικής. Νεα έκπληξη ακολούθησε, όταν οι Ρ.C. W. Chu καί Μ.Κ.Wu στήν Αμερική με μία μικρή τροποποίηση, κατασκεύασαν το υλικό γνωστό με τα αρχικά ΥΒCΟ, το οποίο παρουσίαζε υπεραγωγιμότητα στούς 92 Κ. Αυτή η ανακάλυψη διέγειρε έντονο τεχνολογικό ενδιαφέρον, διότι αντί για υγρό ήλιο, θα μπορούσε να χρησιμοποιείται το πολύ φθηνότερο και εύχρηστο υγρό άζωτο στις εφαρμογές. Ομως, οι αποκαλούμενοι «υπεραγωγοί υψηλών θερμοκρασιών» είναι εύθραυστα κεραμικά υλικά, μέχρι δε στιγμής είναι οικονομικά ασύμφορη η κατασκευή σύρματος.
Βασίλειος Πετρουλέας
Δρ. Φυσικός, Ε.ΚΕ.Φ.Ε. «Δημόκριτος».
Από το περιοδικό: «Η δράση μας», τεύχος Φεβρουαρίου 2007.
