Wat betekent cryogeen en wat zijn cryogene experimenten?

Cryogeen kan letterlijk worden vertaald met koud makend. Met het woord cryogeen maakt men duidelijk dat er werkzaamheden of experimenten worden verricht bij zeer lage temperaturen. Als men cryogene experimenten uitvoert  zal men daarvoor speciale stoffen moeten gebruiken. Deze stoffen hebben meestal de eigenschap dat ze een laag kookpunt hebben. Een aantal vloeistoffen  die hierbij aan de orde kunnen komen zijn:

  • Distikstof wordt ook wel stikstofgas genoemd of moleculaire stikstof: kookpunt 77 K (-196 Graden Celsius/ °C).
  • Diwaterstof, ook wel bekend onder de naam waterstof en waterstofgas: kookpunt 20K (-252,87 Graden Celsius/ °C).
  • Helium: kookpunt 4.2K/ 4.3 K of (- 268,9 Graden Celsius/ °C).

Vloeibare stikstof is niet heel kostbaar en is daarom zeer geschikt om te gebruiken voor verschillende experimenten. Vloeibare helium wordt minder gebruikt omdat het duurder is en daarnaast is het minder geschikt om te transporteren vanwege de veel lagere verdampingswarmte die hoge eisen stelt aan de isolatie tijdens het transport. Vloeibare helium wordt daarom alleen ingezet bij specifieke experimenten waarbij een extreem lage temperatuur nodig is. In dat geval wordt vloeibare helium ter plekke uit heliumgas gemaakt.

Waarom worden cryogene experimenten uitgevoerd?
Bij lage temperaturen bewegen atomen veel minder snel. Daarom worden veel wetenschappelijke experimenten cryogeen uitgevoerd. Daarnaast worden de geleidende eigenschappen van materialen beter als de temperatuur wordt verlaagd. Supergeleiders hebben een zeer geringe weerstand tegen elektrische stroom maar moeten daarvoor wel in een zeer koude toestand worden gebracht. Bij lage temperaturen treed er minder ‘ruis’ op in elektronische circuits. Verder kunnen sommige stoffen in supervloeibare staat worden gebracht indien men experimenten cryogeen uitvoert.

Liquefied of liquid natural gas lng
Lng is een afkorting die staat voor liquid natural gas/ liquefied natural gas. Dit mengsel wordt in het Nederlands ook wel vloeibaar aardgas genoemd. Lng is een mengsel dat hoofdzakelijk bestaat uit methaan. Daarnaast kunnen ook mogelijk restgassen aanwezig zijn in het mengsel. Deze restgassen kunnen bijvoorbeeld ethaan, propaan of stikstof zijn. Aardgas wordt in vloeibare staat getransporteerd. Dit gebeurd onder cryogene temperaturen. Bij normale druk wordt methaan vloeibaar bij cryogene temperaturen van ca. -162°C. Het volume van lng is 600 maal geringer dan aardgas bij een normale atmosferische druk en temperatuur. Door deze volumereductie is lng geschikt om te transporteren bijvoorbeeld over zee met in lng-tankers.

Wat is een geleider volgens de elektriciteitsleer?

Geleiders zijn volgens de elektriciteitsleer materialen en voorwerpen die elektrische stroom geleiden. Een goede geleider vertoont weinig weerstand tegen de elektrische stroom die er doorheen wordt getransporteerd. Hoe minder weerstand een materiaal of voorwerp tegen elektrische stroom biedt hoe beter de geleider te gebruiken is in de elektrotechniek. Alle metalen zijn geleiders van elektrische stroom. Er zijn echter wel verschillen in de eigenschappen van metalen. Sommige metalen zijn betere geleiders dan ander metalen. Metalen met een zeer kleine soortelijke weerstand tegen elektrische stroom zijn zilver en koper. Dit komt omdat het enige valentie-elektron van deze metalen zich bijna geheel als een vrij gas beweegt door het kristalrooster van het scheikundig element.

Temperatuurcoëfficiënt
Het overgrote deel van de metalen heeft een positieve temperatuurcoëfficiënt. Dit houdt in dat de weerstand van het metaal tegen elektronen toeneemt als de temperatuur van het metaal stijgt. Deze weerstand neemt toe omdat de atomen in het kristalrooster meer gaan trillen als de temperatuur hoger wordt. Door deze trilling wordt de beweging van de elektronen in de kristalroosters verstoort. Hierdoor kunnen de elektronen zich steeds moeilijker door het kristalrooster verplaatsen naarmate de temperatuur van het metaal wordt verhoogd of hoger wordt.

Supergeleiders
Supergeleiders zijn stoffen of materialen die geen weerstand bieden tegen elektrische stroom. Bij sommige materialen verdwijnt de weerstand tegen elektrische stroom als het materiaal op een bepaalde lage temperatuur wordt gebracht. Men spreekt van supergeleiding wanneer men stroom op gang brengt in een gesloten kring die bestaat uit supergeleidend materiaal en deze stroom gehandhaafd blijft en zal blijven rondlopen zonder aangelegde elektrische spanning. De kringstroom wekt een magnetisch veld op. Met supergeleiders kan men een permanent magnetisch veld opwekken. Doordat deze magneten permanent magnetisch zijn, worden ze veel toegepast. Het grote nadeel van permanente mageneten die gemaakt worden uit supergeleiders is de koeling. De meeste materialen worden supergeleidend bij zeer lage temperaturen. Deze temperaturen zijn slechts enkele graden boven het absolute nulpunt. Het koelen van de supergeleidende magneten gebeurd met kostbare koelinstallaties die veel energie gebruiken. Voor het koelen wordt meestal gebruik gemaakt van  vloeibaar helium.

Halfgeleiders
Halfgeleiders zijn stoffen die op het gebied van elektrische geleiding in het midden staan tussen een geleider en een isolator. Als men de structuur van halfgeleiders bekijkt kan men de conclusie trekken dat het om een isolator gaat. Echter een halfgeleider kan gemakkelijk in een geleider worden verandert. Hierbij zijn de eigenschappen op elektrisch gebied goed te manipuleren. Om de elektrische eigenschappen van halfgeleiders te verbeteren kan men elementen of bestandsdelen toevoegen die over de gewenste eigenschappen beschikken.

Er zijn ook stoffen die halfgeleider worden genoemd omdat ze geen groot geleidingsvermogen hebben en het geleidingsvermogen in grote mate afhankelijk is van de temperatuur waarin de stoffen worden gebruikt of geplaatst. Doormiddel van een speciale bewerking, genaamd dotering kunnen de eigenschappen van deze halfgeleiders worden beïnvloed. Halfgeleiders kunnen worden gebruikt voor het maken van componenten.