المعالجة بالتبريد العميق

يعهد التبريد العميق Cryogenics على أنه فرع من الفيزياء والهندسة المختص بدراسة إنتاج درجات الحرارة المتدنية جداً وتأثيراتها. اقتبست حدثة Cryogenics من الحدثتين اليونانيتين kryos والتي تعني التجمد وgenic التي تعني إنتاج.

أصل المصطلح ومعناه

تم استخدام هذا المصطلح لأول مرة عام 1894م من قبل الفيزيائي الهولندي الحائز على جائزة نوبل البروفيسور هايك كامرلينغ أونس 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 هوأخفض درجة حرارة في الكون والتيقد 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.

ويعهد 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 بحاجة 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 تعهد باسم التبريد العميق Cryogenics. ويعتمد التبريد العميق على تسييل الغازات الدائمة باستخدام دورة كلود Claude cycle أودورة هامبسون ليند Hampson–Linde cycle الحراريتين

تطبيقاته

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 يعهد 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 البتر التقليدية تطبيقها وإنما ينتج عنها درجات حرارة مرتفعة جداً تغير من بنية أدوات البتر. 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 أوالهيليوم السائل.