Geht es darum, Proben oder technische Anlagen möglichst konstant auf besonders tiefe Temperaturen zu bringen, kommen Kryostate zum Einsatz. Hersteller passen die Geräte an spezielle Einsatzbereiche an – etwa um Sensoren zu kühlen oder biologische Proben zu bearbeiten. Abhängig von den individuellen Anforderungen kommen dabei unterschiedliche Bauarten zum Einsatz. Wie diese funktionieren und was einen Kryostat im Allgemeinen auszeichnet, erklärt Deutsche-Thermo.de in den folgenden Abschnitten.
Die Themen im Überblick
Temperiergeräte für Proben, Geräte und technische Prozesse
Bei einem Kryostat handelt es sich um ein Temperiergerät, das verschiedenste Gegenstände, Geräte oder Prozesse kühlt. Es zeichnet sich durch sehr niedrige Temperaturbereiche sowie gleichbleibende Temperaturwerte aus und kommt in vielen Bereichen zum Einsatz. Einige Kryostaten sind dazu mit einer eigenen Kühlkammer für Werkstücke oder Proben ausgestattet. Sie kühlen Materialien direkt und ermöglichen es, Arbeiten im gekühlten Bereich durchzuführen. So erstellen Biologen zum Beispiel Schnitte von Gewebeproben in einer punktgenau temperierten Atmosphäre. Andere Geräte ermöglichen die Kühlung externer Prozesse mithilfe einer speziellen Kühlflüssigkeit. Das Medium nimmt dabei im Temperiergerät die benötigte Temperatur ein. Anschließend durchströmt es angeschlossene Maschinen oder Bauteile, um diesen Wärme zu entziehen.
Hocheffiziente Dämmung sorgt für minimalen Energieeinsatz der Kühler
Um eine möglichst hohe Effizienz zu erreichen, statten Hersteller Kryostaten mit einer starken Dämmung aus. Wie bei einer Thermoskanne kommen dabei zum Beispiel evakuierte Behälter zum Einsatz. Da sich in diesen keine Luft befindet, sinkt die Wärmeübertragung durch Konvektion erheblich. Hinzu kommen mit Metallen bedampfte Kunststofffolien, die Wärmeeinträgen durch Wärmestrahlung entgegenwirken. Wichtig ist außerdem eine hohe Gasdichtheit und der Einsatz von Materialien mit niedriger Wärmeleitfähigkeit. Letztere sorgen unter anderem dafür, dass über die Haltepunkte in der Hülle wenig Wärme eindringt.
Kryostat: Einsatzbereiche in Labor, Technik und Produktion
Ob in der Medizin, in der Forschung oder in der Industrie: Der Kryostat kommt in vielen Bereichen zum Einsatz. Entscheidend ist dabei die individuelle Ausrüstung bzw. Auslegung, wie die folgende Übersicht typischer Anwendungsgebiete zeigt.
| Einsatzbereich | Beschreibung |
|---|---|
| Kryostat Mikrotom | In der Medizin kommen häufig sogenannte Kryostat Mikrotome zum Einsatz. Dabei handelt es sich um Geräte mit integriertem Schneidsystem für histopathologische Untersuchungen. Medizinische Fachkräfte extrahieren dazu Gewebeproben ihrer Patienten. Sie erstellen reproduzierbare Schnitte in bester Qualität und leiten daraus pathologische Befunde ab. Nötig ist das zum Beispiel bei der Untersuchung von Krebszellen. |
| Kühlung von Sensoren zur Messung extrem geringer Magnetfeldänderungen | In der Medizin kommt das Kryostat nicht nur in Verbindung mit einem Mikrotom zum Einsatz. Es sorgt auch für die Kühlung hochsensibler Sensoren zur Messung extrem geringer Magnetfeldänderungen (sog. SQUID-Systeme). Diese ermöglichen zum Beispiel die Magnetoenzephalographie (MEG) oder die Magnetokardiographie. Mit den Verfahren untersuchen Mediziner die magnetische Aktivität des Gehirns oder des Herzens mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung. |
| Kühlung von Strahlungssensoren | Auf eine konstante Kühlung kommt es auch bei vielen Strahlungssensoren an. Die Kühlgeräte führen dabei Wärme von Photoempfängern oder Bildsensoren von Wärmebildkameras ab, um Störungen in der Bildgebung zu reduzieren. Nötig ist das zum Beispiel bei rauscharmen Wärmebildkameras. |
| Kühlung supraleitender Quantencomputer | In der Forschung spielt der spezielle Kühler ebenfalls eine große Rolle. Etwa bei der Entwicklung von Quantencomputern. Die Umlaufkühler reduzieren dabei die Temperatur supraleitender Materialien auf etwas über dem absoluten Nullpunkt, um Störungen zu reduzieren. |
| Kühlung supraleitender Spulen | Auf die Kühlung supraleitender Materialien kommt es auch in der Medizintechnik an. Etwa für die Unterschreitung der Sprungtemperatur von Spulen. Auf diese Weise ist es möglich, ein sehr starkes Magnetfeld aufzubauen und Untersuchungen wie die Magnetresonanztomografie (MRT) durchzuführen. Fällt die MRT-Kühlung aus, kann es zu einem gefährlichen Quench kommen, wobei sich die gesamte Feldenergie in Kürze in Wärme umwandelt. |
| Materialforschung | In der Materialforschung simulieren Fachleute besonders niedrige Umgebungstemperaturen, um das Verhalten von Produkten oder Stoffen zu untersuchen. |
| Sensor-Kalibrierung | In der Industrie dienen die Kühlgeräte der Kalibrierung von Sensoren. So lassen sich beispielsweise Thermometer sehr genau konfigurieren. |
| Industrielle Kühlprozesse | Neben der Sensorkühlung kommen Kryostaten in der Industrie auch zum Einsatz, um verschiedenste Maschinen, Anlagen oder Prozesse zu kühlen. Beispiele dafür sind Autoklaven, Kalorimeter oder Reaktionsblöcke. |
Die Übersicht zeigt: Überall dort, wo besonders tiefe Temperaturen sehr genau einzuhalten sind, kommt häufig ein Kryostat zum Einsatz. Aufbau, Auslegung und Ausstattung der Geräte hängen dabei vom jeweiligen Anwendungsgebiet ab.
Arten und ihre Funktionsweise einfach verständlich erklärt
Je nachdem, ob Wärme im Gerät selbst abzuführen ist oder ob die Anlagen einen externen Prozess kühlen sollen, unterscheidet sich der Kryostat Aufbau. Erhältlich sind dabei Badkryostaten, Verdampferkryostaten, Mischungskryostaten und Refrigeratorkryostaten. Im Folgenden erklären wir, wie diese funktionieren.
Badkryostaten lagern Objekte in einer mit Flüssigkeit gefüllte Kammer
Die erste Bauform beschreibt Temperiergeräte mit einer öffenbaren Kammer. In dieser befindet sich eine spezielle Kühlflüssigkeit, die Proben oder Werkstücke in der Regel direkt aufnimmt. Bei der Flüssigkeit handelt es sich dabei um tiefkalt verflüssigte Gase wie Stickstoff oder Helium, die in dieser Form Temperaturen von unter -195,8 (flüssiger Stickstoff LN2) oder -268,93 °C (Helium LH2) aufweisen.
Verdampferkryostaten erzeugen genau einstellbare Kühltemperaturen
Für den Betrieb von Kryostaten mit Verdampfer sind ebenfalls tiefkalt verflüssigte Gase nötig. Diese strömen bedarfsgerecht in die Kammer ein, wobei sie dieser Wärme entziehen und in den gasförmigen Aggregatzustand übergehen. Über die Menge an verdampfenden Gas lässt sich die Temperatur sehr genau einstellen. Indem Geräte mit dem Druck auch die Siedetemperatur der Kryoflüssigkeiten absenken, ist es sogar möglich, niedrigere Temperaturen als in Kryostaten mit Kühlbad zu erreichen. Die oben angegebenen Siedetemperaturen lassen sich auf diese Weise also weiter reduzieren.
Mischkryostaten halten Temperaturen im Milli-Kelvin-Bereich konstant
Sind besonders niedrige Temperaturen im Bereich des absoluten Nullpunkts (0 K oder 273,15 Grad Celsius) gefragt, kommen Kryostate mit Misch- oder Verdünnungskühlung zum Einsatz. Diese mischen beispielsweise die Helium-Isotope 3He und 4He, die unterhalb der kritischen Temperatur in zwei flüssigen Phasen vorliegen. Eine konzentrierte Flüssigkeitsphase besteht nahezu ausschließlich aus 3He, eine Zweite besteht zu etwa 6,5 % aus 3He und zu 93,5 % aus 4He. Verschwinden nun 4He Atome aus der verdünnten Flüssigkeit, wird das ansonsten stabile Gleichgewicht gestört und 3He-Atome strömen nach. Der Prozess lässt sich mit der Verdunstung vergleichen. Er nimmt Wärme aus der Umgebung auf (Mischungswärme für den Übertritt der 3He-Atome in die andere Flüssigkeit) und kühlt diese somit – ähnlich wie ein Verdampfungskühler.
Wichtig zu wissen:
Setzen Kryostate auf das Prinzip der Misch- oder Verdünnungskühlung, erreichen sie nur geringe Leistungswerte. Niedrige Temperaturen sind dabei nur realisierbar, wenn sich die Geräte in einem Dewar (sehr gut isolierter Behälter) befinden und von der äußeren Umgebung entkoppelt werden.
Refrigeratorkryostaten funktionieren mit technischen Kühlprozessen
Refrigeratorkryostaten oder Kryocooler unterscheiden sich von den vorgenannten Systemen. Denn sie kommen ohne die beschriebenen Kühlflüssigkeiten aus. Möglich ist das durch technische Kühlprozesse, die jedoch mit Einschränkungen im Einsatzbereich einhergehen. Genügen die erreichbaren Temperaturen (System-/Geräteabhängig), hat das einige Vorteile. So bestehen in der Regel geringere Sicherheitsanforderungen. Die Geräte sind insgesamt kleiner und somit auch mobil einsetzbar, wenn ein entsprechender Stromanschluss vorhanden ist.
FAQ: Häufig gestellte Fragen und Antworten zu Kryostaten
Was ist ein Kryostat und was zeichnet die Geräte aus?
Ein Kryostat ist ein spezielles Kühlgerät. Es erreicht durch seine Funktion besonders tiefe Temperaturen und kann diese sehr genau halten. Um den Energieverbrauch zu reduzieren, sitzt es meist in einer gedämmten Hülle oder in einem eigenen Dewar-Gefäß.
Wie funktioniert die Kühlung auf sehr tiefe Temperaturen?
Kryostate arbeiten in der Regel mit einer Kühlflüssigkeit, die Gegenständen, Prozessen oder speziellen Kammern Wärme entzieht. Während sich diese bei Badkryostaten in isolierten Kühlbecken befindet, nutzen Verdampferkryostaten die Tatsache, dass tiefkalt verflüssigte Gase beim Übergang vom flüssigen in den gasförmigen Aggregatzustand viel Wärme aufnehmen. Mischkryostaten nutzen das besondere Wechselverhalten zweier Stoffe miteinander und Refrigeratorkryostaten setzen auf einen eigenen Kühlkreislauf.
Worauf kommt es beim Aufbau von Kryostaten an?
Wichtig ist eine besonders gute Isolierung. Denn diese verhindert den Wärmeeintrag aus dem Aufstellbereich und reduziert auf diese Weise den Kältebedarf. Während das zu einem sinkenden Energieverbrauch führt, ermöglicht es auch, mit vergleichsweise geringen Leistungswerten sehr niedrige Temperaturen zu erreichen.
In welchen Bereichen kommen die Geräte zum Einsatz?
Abhängig von Kühlfunktion und Ausstattung kommt der Kryostat in verschiedenen Bereichen zum Einsatz. So zum Beispiel in der Medizin (für histopathologische Untersuchungen oder zur Kühlung von Spulen und Sensoren), in der Forschung (im Bereich der Materialforschung oder bei der Entwicklung von Quantencomputern) sowie in der Industrie (Kühlung von Autoklaven, Kalorimetern und Prozessen).
