極低温工学

物理学において、極低温学とは、物質を非常に低い温度で生成し、その挙動を調べる学問です。

第 13 回国際冷凍学会(IIR) の国際冷凍会議 (1971 年にワシントン DC で開催) では、「極低温」と「極低温」の普遍的な定義が承認され、これらの用語を従来の冷凍と区別するために 120 K (-153 °C) という閾値が認められました。^{[1] [2] [3] [4]}これは論理的な境界線です。なぜなら、いわゆる永久ガス(ヘリウム、水素、ネオン、窒素、酸素、通常の空気など) の通常の沸点は120 K 未満であるのに対し、フロン冷媒、炭化水素、その他の一般的な冷媒の沸点は 120 K を超えるからです。^{[5] [6]}

窒素の沸点よりはるかに高い臨界温度を持つ超伝導材料の発見は、高温極低温冷凍機を製造するための信頼性が高く低コストな方法への新たな関心を生んでいる。「高温極低温」という用語は、液体窒素の沸点である -195.79 °C (77.36 K; -320.42 °F) から -50 °C (223 K; -58 °F) までの温度範囲を指す。 ^[7]超伝導特性の発見は、 1908 年 7 月 10 日にHeike Kamerlingh Onnesによって初めてなされた。この発見は、2 K の温度に到達できる能力の発見後に行われた。これらの最初の超伝導特性は、4.2 K の温度で水銀で観察された。^[8]

極低温学者は、海面での水の凝固点を基準とする摂氏[9] [10]や海面での特定の塩水溶液の凝固点^を基準とする華氏^{[11] [12]}などの一般的な温度スケールではなく、絶対零度を基準とするケルビン温度スケールやランキン温度スケールを使用します。

極低温工学

非常に低い温度（超低温、つまり 123 K 未満）の研究、その生成方法、およびその温度での材料の挙動に関する工学の分野。

低温生物学

低温が生物に与える影響を研究する生物学の分野（ほとんどの場合、凍結保存を目的としています）。その他の用途には、医薬品^[13]成分や医薬品の凍結乾燥（フリーズドライ）などがあります。

動物遺伝資源の凍結保存

品種保存を目的とした遺伝物質の保存。遺伝物質の保存は人間以外の動物に限らない。多くのサービスでは、遺伝子の保管や出生時の幹細胞の保存を行っている。これらは細胞株の生成の研究や幹細胞治療に使用されることがある。^[14]

凍結療法

極低温を利用して癌細胞などの組織を破壊し死滅させる外科手術の分野。一般的にはクライオアブレーションと呼ばれる。^[15]

クライオエレクトロニクス

極低温における電子現象の研究。例としては、超伝導や可変範囲ホッピングなどがあります。

クライオニクス

人間や動物を将来の蘇生を目的として冷凍保存すること。大衆文化や報道では「Cryogenics（極低温保存）」が誤って「Cryonics（クライオニクス）」の​​意味で使われることがある。^[16]

極低温という言葉は、ギリシャ語の κρύος (cryos) – 「冷たい」 + γενής (genis) – 「生成する」 に由来しています。

極低温流体の沸点はケルビン^[17]と摂氏で表されます。

液体窒素や液体ヘリウムなどの液化ガスは、多くの極低温用途で使用されています。液体窒素は極低温で最も一般的に使用されている元素であり、世界中で合法的に購入できます。液体ヘリウムも一般的に使用されており、達成可能な最低温度を実現できます。

これらの液体はデュワーフラスコに保存されます。デュワーフラスコは二重壁の容器で、壁の間を高真空にすることで液体への熱伝導を減らします。一般的な研究室用デュワーフラスコは球形でガラス製で、金属製の外側の容器で保護されています。液体ヘリウムなどの極低温の液体用のデュワーフラスコには、液体窒素が入った別の二重壁の容器があります。デュワーフラスコは、水素を初めて液化した発明者であるジェームズ・デュワーにちなんで名付けられました。魔法瓶は、保護ケースに収まった 小型の魔法瓶です。

これらの液体が入ったデュワー瓶には極低温バーコードラベルが使用され、摂氏-195度まで凍結することはありません。^[18]

極低温移送ポンプは、極低温バルブと同様に、 LNG 船からLNG 貯蔵タンクに液化天然ガスを移送するためにLNG 桟橋で使用されるポンプです。

極低温技術の分野は、金属を低温に凍結させると摩耗に対する耐性が高まることを科学者が発見した第二次世界大戦中に進歩しました。この極低温硬化の理論に基づいて、商業用の極低温処理産業は、1966年にビルとエドのブッシュによって設立されました。熱処理産業での経験を持つブッシュ兄弟は、1966年にデトロイトでCryoTechという会社を設立しました。^{[19]ブッシュは当初、}熱処理の代わりに極低温焼き戻しを使用して、金属工具の寿命を元の寿命の200％から400％まで延ばす可能性について実験しました。^[要出典]これは1990年代後半に他の部品の処理に発展しました。

液体窒素などの極低温物質は、特殊な冷却および冷凍用途にも使用されます。人気のスタチン薬の有効成分を生成するために使用される化学反応など、一部の化学反応は、約 -100 °C (-148 °F) の低温で発生する必要があります。特殊な極低温化学反応器を使用して、反応熱を除去し、低温環境を提供します。食品やワクチンなどのバイオテクノロジー製品の冷凍には、急速冷凍システムまたは浸漬冷凍システムで窒素が必要です。特定の柔らかい材料や弾性材料は非常に低い温度では硬くて脆くなるため、高温では簡単に粉砕できない一部の材料では極低温粉砕​​(クライオミリング) が選択肢になります。

極低温処理は熱処理の代用ではなく、加熱、焼き入れ、焼き戻しサイクルの延長です。通常、アイテムが焼き入れされると、最終温度は周囲温度になります。この唯一の理由は、ほとんどの熱処理業者が冷却装置を持っていないことです。周囲温度は冶金学的に重要な意味を持ちません。極低温処理は、周囲温度から -320 °F (140 °R、78 K、-196 °C) までこの動作を継続します。ほとんどの場合、極低温サイクルの後に熱焼き戻し手順が続きます。すべての合金が同じ化学成分を持っているわけではないため、焼き戻し手順は材料の化学組成、熱履歴、および/またはツールの特定のサービス用途によって異なります。

全体のプロセスには3〜4日かかります。

極低温技術のもう 1 つの用途は、ロケットの極低温燃料です。最も広く使用されている例は液体水素です。液体酸素(LOX) はさらに広く使用されていますが、燃料ではなく酸化剤として使用されています。NASAの主力機であるスペースシャトルは、軌道に乗るための主な手段として極低温水素/酸素推進剤を使用しました。LOX は、ソビエト宇宙計画のためにセルゲイ コロリョフが製造したロケットなど、非極低温炭化水素であるRP-1ケロシンとともに広く使用されています。

ロシアの航空機メーカー、ツポレフは、人気のTu-154に極低温燃料システムを搭載したバージョンを開発した。これはTu-155として知られている。この飛行機は液化天然ガスまたはLNGと呼ばれる燃料を使用し、1989年に初飛行を行った。^[20]

極低温技術の応用例:

• 核磁気共鳴（NMR）は、磁場内で核が吸収した無線周波数とそれに続く緩和を検出することにより、原子の物理的および化学的特性を決定する最も一般的な方法の 1 つです。これは、最も一般的に使用されている特性評価技術の 1 つであり、さまざまな分野で応用されています。主に、強力な磁場は過冷却電磁石によって生成されますが、極低温物質を必要としない分光計もあります。従来の超伝導ソレノイドでは、常圧での沸点が約 4 K であるため、液体ヘリウムを使用して内部コイルを冷却します。コイル配線には、安価な金属超伝導体を使用できます。いわゆる高温超伝導化合物は、約 77 K で沸騰する液体窒素を使用して超伝導にすることができます。
• 磁気共鳴画像法(MRI) は、共鳴の幾何学的形状をデコンボリューションし、強力な磁場内で無線周波数パルスによって乱された陽子の緩和を検出することで物体を画像化する、NMR の複雑な応用です。これは、健康関連アプリケーションで最もよく使用されます。
• 極低温電子顕微鏡法(cryoEM) は、タンパク質、細胞、その他の生物系の構造を解明するための構造生物学でよく使われる手法です。サンプルは液体窒素で冷却された液体エタンなどの極低温物質に浸漬凍結され、その後、画像化のために電子顕微鏡に挿入される際に液体窒素温度に保たれます。電子顕微鏡自体も液体窒素で冷却されます。
• 大都市では架空ケーブルで送電することが難しいため、地中ケーブルが使用されています。しかし、地中ケーブルは熱くなり、電線の抵抗が増大して電力の無駄が生じます。超伝導体を使用すれば電力スループットを高めることができますが、送電量を増やすには、特殊な合金を含むケーブルを冷却するための窒素やヘリウムなどの極低温液体が必要になります。いくつかの実現可能性調査が行われており、この分野は国際エネルギー機関内で合意の対象となっています。

• 極低温ガスは、大量の冷凍食品の輸送と保管に使用されます。戦争地域や地震の被災地域などの地域に大量の食品を輸送する必要がある場合、食品を長期間保管する必要があるため、極低温食品冷凍が使用されます。極低温食品冷凍は、大規模な食品加工産業にも役立ちます。
• 多くの赤外線（前方監視赤外線）カメラでは、検出器を極低温で冷却する必要があります。
• 特定の希少血液型は、血液銀行で -165°C などの低温で保管されます。
• 液体窒素と CO2_を使用した極低温技術がナイトクラブのエフェクト システムに組み込まれ、色付きのライトで照らすことができる冷却効果と白い霧を作り出します。
• 極低温冷却は、製造工程での機械加工時に工具の先端を冷却するために使用されます。これにより、工具の寿命が延びます。酸素は、鉄鋼製造工程でいくつかの重要な機能を実行するために使用されます。
• 多くのロケットや月面着陸船は推進剤として極低温ガスを使用しています。これには液体酸素、液体水素、液体メタンが含まれます。
• 自動車やトラックのタイヤを液体窒素で凍らせると、ゴムは脆くなり、小さな粒子に砕くことができます。これらの粒子は、他の製品に再利用できます。
• スピントロニクスや磁気輸送特性などの特定の物理現象に関する実験的研究では、その効果を観察するために極低温が必要です。
• 特定のワクチンは極低温で保管する必要がある。例えば、ファイザー・ビオンテックのCOVID-19ワクチンは、 −90～−60℃（−130～−76℉）の温度で保管する必要がある。（コールドチェーンを参照）^[22]

装置や材料の極低温冷却は、通常、液体窒素、液体ヘリウム、または機械式クライオクーラー（高圧ヘリウムラインを使用）を使用して行われます。ギフォード・マクマホンクライオクーラー、パルスチューブクライオクーラー、スターリングクライオクーラーは、必要なベース温度と冷却能力に基づいて選択され、広く使用されています。極低温技術の最新の開発は、磁石を再生器および冷蔵庫として使用することです。これらの装置は、磁気熱量効果と呼ばれる原理で動作します。

粒子を検出するために使用される極低温検出器にはさまざまなものがあります。

30 K までの極低温測定には、抵抗温度検出器 (RTD)である Pt100 センサーが使用されます。30 K 未満の温度では、精度を保つためにシリコン ダイオードを使用する必要があります。

• 絶対零度
• 地球上で記録された最低気温
• 極低温粉砕
• 急速冷凍
• 冷凍食品

• Haselden, GG (1971)、「Cryogenic fundamentals」、Academic Press、ニューヨーク、ISBN 0-12-330550-0。