- Cryogénie
-
Bonbonne contenant de l'azote liquide (en anglais, « nitrogen »).
La cryogénie est l'étude et la production des basses températures (inférieures à -150 °C ou 120 K) dans le but de comprendre les phénomènes physiques qui s'y manifestent. La limite de -153,15 °C représente la limite à partir de laquelle les gaz de l'air se liquéfient. La cryogénie possède de très nombreuses applications notamment dans les secteurs alimentaire, médical, industriel, physique et de l'élevage. La cryogénie a ouvert beaucoup de possibilités comme :
- la conservation des aliments à l'aide d'azote liquide,
- la suspension du métabolisme,
- l'étude de la supraconductivité (absence de résistance électrique),
- l'étude de la superfluidité (absence de viscosité pour un liquide),
- la transformation en une fine poudre de toutes sortes de matières,
- la récupération de plus de 90 % des gaz destructeurs de la couche d'ozone,
- la création, à partir d'azote liquide, de toutes sortes de neiges,
- Le transport sur de longues distances de gaz naturel à un coût réaliste,
- Le traitement de certaines maladies de peaux comme les verrues.
Sommaire
Cryogénie alimentaire
La cryogénie alimentaire consiste en la conservation d'aliments par une surgélation très rapide laissant l'aliment dans l'état dans lequel il était au départ, contrairement à la congélation classique qui provoque la déshydratation de surface et la formation de gros cristaux de glace dans le produit.
Fonctionnement détaillé
L'aliment est plongé dans de l'azote liquide, une bonne partie de l'énergie contenue dans les molécules de l'aliment passe dans l'azote liquide, qui l'absorbe par ébullition et l'aliment se refroidit et se fige très vite car l'eau qu'il contient gèle complètement. Lorsqu'on réchauffe l'aliment, l'azote liquide s'évapore et fini par se dégeler. L'aliment est dans le même état que celui dans lequel il était avant d'être congelé.
Fonctionnement technique
La cryogénie alimentaire utilise 2 isotopes (atome d'un élément chimique dont le noyau a le même nombre atomique Z), l'hélium 3 (rare) et l'hélium 4 (commun).
Lorsque la température s'approche du zéro absolu, la mixture subit spontanément une phase de séparation vers une forme riche en hélium 3 et une forme pauvre en hélium 3 (?).
Généralement, les réfrigérateurs cryogéniques (à dilution d'hélium) fonctionnent dans un cycle continu. L'hélium 3 est liquéfié dans un condenseur qui est relié à la zone riche en d'hélium 3. Les atomes d'3He migrent à travers la zone pauvre en 3He (riche en 4He), fournissant la puissance de refroidissement, puis arrivent dans un distillateur où ils s'évaporent pour recommencer un cycle.
Cryopréservation
La cryopréservation a pour but de suspendre l'évolution des cellules et de pouvoir les remettre en mouvement par la suite. Elle est utilisée pour conserver le sperme, les tissus et comme dernier espoir pour les gens ne pouvant plus être guéris avec les techniques médicales actuelles.
La cryonie ou la cryopréservation des humains en est encore à ses débuts et est vue par les scientifiques avec beaucoup de scepticisme, voire comme une pseudo-science car il n'est pas encore possible de réveiller ce que l'on congèle : les cellules et les organes s'abiment durant les changements de température.
En effet, des micros-cristaux de glace se forment dans les cellules à cause de l'eau qu'elles contiennent en elles ; durant la phase de décongélation ces cristaux abiment les cellules, dont celles du cerveau, c'est pourquoi on ne peut pas réveiller les personnes en état de stase. Récemment, des chercheurs de Californie ont réussi à congeler et décongeler un rein (soit un des organes les plus difficiles à cryoconserver) avec la méthode appelée vitrification, maintenant utilisée par Alcor.
Pour les promoteurs de la cryopréservation, l'évolution technologique constante de l'Humanité permet d'envisager à relativement court terme le développement des techniques permettant de décongeler un être humain.
Certains animaux peuvent survivre après une congélation totale ou partielle de plusieurs semaines (65 % de leur eau corporelle transformée en glace et le cœur est arrêté) : la grenouille des bois (Rana sylvatica), la rainette crucifère (Hyla crucifer), la rainette versicolore (Hyla versicolor) et la rainette à trois bandes (Pseudacris triseriata). Elles peuvent supporter des températures allant jusqu'à -8 °C et deviennent alors cassantes comme du verre tout en restant « vivantes » [1].
Fonctionnement
La cryopréservation fonctionne comme la cryogénie alimentaire.
Supraconductivité
La supraconductivité est un phénomène rencontré dans certains matériaux à de très basses températures. Elle est caractérisée par l'absence totale de résistance électrique et l'annulation du champ magnétique à l'intérieur du matériau.
Utilité
La supraconductivité permet de créer des électro-aimants plus puissants et au champ magnétique très homogène, elle est utilisée pour l'imagerie médicale, le fonctionnement des trains à sustentation magnétique (maglev, transrapid) et les accélérateurs de particules. Mais elle sert aussi à stocker de l'énergie et à réaliser la fusion thermonucléaire contrôlée (deux noyaux atomiques s'assemblent pour en former un plus gros).
Superfluidité
La superfluidité est une phase de matière caractérisée par l'absence totale de viscosité. Ainsi, les superfluides, placés dans une boucle fermée, peuvent couler indéfiniment sans frottement et passer au travers de trous aussi petits qu'un atome, ils défient la gravité en remontant le long des parois de leur récipient. La science qui étudie la superfluidité s'appelle l'« hydrodynamique quantique ».
Utilité
La superfluidité est utilisée dans les réfrigérateurs cryogéniques et comme « dissolvant de quanta » dans les techniques spectroscopiques.
Cryo-broyage
Le cryo-broyage utilise un liquide cryogénique (azote liquide) pour refroidir avec précision les matériaux jusqu'à leur point de fragilisation afin d'en faciliter la réduction mécanique.
Fonctionnement
D'abord, la matière est découpée en blocs d'à peu près 1 cm puis elle est introduite au centre du broyeur. Le broyage est obtenu par percussion et projection, entre les morceaux mobiles du rotor tournant à grande vitesse et les morceaux fixes. La matière est broyée progressivement et la finesse est contrôlée par une couronne tamisante. Le réglage de la finesse du produit à broyer est déterminé en choisissant l'équipement de broyage, la vitesse de rotation du rotor, le type et les perforations de la couronne tamisante.
Givrage ou condensation cryogénique
Le procédé du givrage ou de la condensation cryogénique est un système cryogénique de récupération des composés organiques volatils (COV) dans les flux gazeux. Il est particulièrement efficace dans les situations à faible concentration de solvant.
Fonctionnement
La technologie fonctionne par contact direct avec l'azote liquide qui refroidit le flux de gaz chargé en solvants. Les COV se condensent et gèlent pour former une neige qui est alors éliminée grâce à des filtres en acier inoxydable. Ces filtres sont nettoyés à intervalles réguliers par des jets inversés de gaz comprimé qui font tomber la neige au fond du dispositif. Là, un chauffage électrique la fait fondre et les COV liquéfiés sont évacués. La technologie n'utilise qu'un seul condenseur et élimine avec efficacité les COV pour obtenir des concentrations très basses sans l'aide d'un dégivreur ou d'un lit de charbon actif.
Fonctionnement du système classique
Le système classique opère en semi-continu avec deux condenseurs utilisés alternativement. Comme le résidu de COD qui passe au travers du condenseur peut poser problème, beaucoup d'installations incluent un dispositif de dégivrage basse tension ou une autre technologie de récupération des COD en complément.
Nettoyage par cryogénie
Principe
Le nettoyage par cryogénie repose sur la projection pneumatique de pellets de glaces carbonique (billes de glace entre -70 et -80 °C) sur la surface à traiter. La technique tire son efficacité de trois phénomènes :
- L'impact : effet mécanique dû au choc du pellet sur la pièce.
- Choc thermique : exposés au froid extrême, les résidus se fragilisent et se rétractent ; une fracture se crée sous l'effet du froid.
- L'effet de souffle : créé par la sublimation de la glace carbonique (augmentation du volume par 500) et qui décolle le résidu.
Le procédé de cryogénie est employé pour l'élimination de dépôts et divers résidus (ciment, goudron, peinture, huile, bitume, encre, vernis, caoutchouc) mais aussi pour le nettoyage de lignes de production, d'armoire électrique, de radiateurs, de circuits électriques et même de ventilateurs qui nécessitent des nettoyages sous tension, donc à sec. Seulement quelques sociétés utilisent ce procédé à ce jour, dont par exemple la manufacture de pneumatiques Michelin (nettoyage des moules de cuisson).
Avantages
Aucun effluent à traiter ; Environnement protégé ; Aucune agression du support ; Nettoyage sans trace d’humidité ; Réduction du temps d’immobilisation ; Aucune dépense liée aux traitements des déchets ; Intervention directe sur site ; Rendements spectaculaires ; Rapidité d'exécution.
Résumé
La cryogénie est l'étude et la production des basses températures (inférieures à -150 °C) dans le but de comprendre les phénomènes physiques qui s'y manifestent. Elle possède de très nombreuses applications notamment dans le secteur alimentaire, médical, industriel, physique et de l'élevage. La cryogénie a ouvert beaucoup de possibilités.
La cryogénie alimentaire consiste en la conservation d'aliments par une surgélation très rapide laissant l'aliment dans l'état dans lequel il était avant. Pour arriver à ce résultat, il faut plonger l'aliment dans de l'azote liquide.
La cryopréservation a pour but de suspendre l'évolution des cellules et de pouvoir les remettre en mouvement par la suite. Elle est utilisée pour conserver le sperme, les tissus et comme dernier espoir pour les gens n'ayant plus d'espoir de guérison avec les techniques médicales actuelles. Elle fonctionne comme la cryogénie alimentaire mais elle est plus complexe à appliquer, car les dégâts que peuvent entraîner les très basses températures ne sont pas un problème en cryogénie alimentaire mais elles doivent obligatoirement être évitées pour la cryopréservation.
La supraconductivité est un phénomène rencontré dans certains matériaux à de très basses températures, elle est caractérisée par l'absence totale de résistance électrique et l'annulation du champ magnétique à l'intérieur du matériau. Elle est utilisée pour l'imagerie médicale et les accélérateurs de particules. Elle permet aussi de stocker de l'énergie et de réaliser la fusion thermonucléaire contrôlée.
La superfluidité est une phase de matière caractérisée par l'absence totale de viscosité. Ainsi, les superfluides, placés dans une boucle fermée, peuvent couler indéfiniment sans frottements. La science qui étudie la superfluidité s'appelle “quantum hydrodynamics”. La superfluidité est utilisée dans les réfrigérateurs cryogéniques et comme “dissolvant de quantum” dans les techniques spectroscopiques.
Le cryo-broyage utilise un liquide cryogénique (azote liquide) pour refroidir avec précision les matériaux jusqu'à leur point de fragilisation afin d'en faciliter la réduction mécanique.
Le procédé de givrage est un système cryogénique de récupération des composés organiques volatiles (COV) dans les flux gazeux. L'azote liquide refroidit le flux de gaz chargé en solvants. Les COV se condensent et gèlent pour former une neige qui est alors éliminée grâce à des filtres en acier inoxydable.
Le nettoyage par cryogénie est un procédé qui permet de nettoyer par projection de micro-péllets de glace carbonique, sans qu'il en résulte d'effluents.
Notes et références
Annexes
Articles connexes
- Azote liquide
- Cryobiologie
- Cryonie
- Hélium liquide
- Histoire de la cryogénie
- Superfluidité
- Supraconductivité
Liens externes
- [PDF] Philippe Lebrun, La Cryogénie, clé de la science et de la technologie avancées
- (en) [PDF] Ph. Lebrun, An Introduction to Cryogenics
Portail de la physique
Portail de la chimie
Portail du froid et de la climatisation
Wikimedia Foundation. 2010.
