Flüssiger Stickstoff

Ein Versorgungstank mit Flüssigstickstoff für Kryokonservierung

Flüssigstickstoff kann dazu benutzt werden, Speiseeis herzustellen

Siedender Flüssigstickstoff in einem tassenförmigen Behälter

Flüssigstickstoff ist Stickstoff im flüssigen Aggregatzustand. Flüssigstickstoff wird industriell in großen Mengen durch fraktionierte Destillation von flüssiger Luft hergestellt. Flüssiger Stickstoff ist eine farblose klare Flüssigkeit mit einer Dichte von 0,807 g/mL am Siedepunkt.

Bei Normaldruck siedet Flüssigstickstoff bei 77 K (-196 °C). Flüssigstickstoff kann bei Kontakt mit lebendem Gewebe in kürzester Zeit Erfrierungen verursachen. Ausreichend isoliert von Umgebungswärme kann Flüssigstickstoff in Behältern aufbewahrt und transportiert werden, zum Beispiel in Isolierkannen. Dabei wird die Temperatur durch langsames Sieden des Stickstoffs bei konstant 77 K gehalten, wodurch Stickstoff-Gas entsteht. Je nach Größe und Aufbau der Isoliergefäße kann die maximale Aufbewahrungszeit zwischen einigen Stunden bis zu einigen Wochen betragen.

Flüssigstickstoff kann leicht in den festen Zustand überführt werden, indem es in eine Vakuumkammer mit einer Drehschieberpumpe gegeben wird. ^[1] Stickstoff gefriert bei einer Temperatur von 63 K (-210 °C). Als Kühlungsmittel ist Stickstoff nur bedingt effizient, da Flüssigstickstoff bei Kontakt mit wärmeren Objekten sofort siedet, wodurch das Objekt durch eine Schicht von gasförmigem Stickstoff gegen den Flüssigstickstoff isoliert wird. Dieser Effekt ist als Leidenfrost-Effekt bekannt. Dieser Effekt existiert in allen Situationen, bei denen eine Flüssigkeit mit einem Gegenstand in Kontakt gebracht wird, der eine wesentlich höhere Temperatur hat als der Siedepunkt dieser Flüssigkeit. Schnellere und bessere Kühlung kann erreicht werden, indem ein Gegenstand in eine Mischung aus festem und flüssigem Stickstoff gegeben wird anstatt in flüssigen Stickstoff alleine.

Anwendungen

Flüssigstickstoff ist eine kompakte und einfach zu transportierende Quelle von Stickstoffgas. Außerdem ist Flüssigstickstoff in einem weiten Bereich von Anwendungen nützlich, da er als Kältemittel eine Temperatur weit unter dem Gefrierpunkt von Wasser aufrecht erhalten kann. Für folgendes kann Flüssigstickstoff benutzt werden:

• Zum Aufbewahren von Zellen bei niedriger Temperatur für Laborarbeiten
• In der Kryotechnik
• Als Quelle von sehr trockenem Stickstoffgas
• Zum Gefrieren von Nahrungsmitteln für den Transport durch Eintauchen in Flüssigstickstoff
• Zur Kryokonservierung von Blut, Fortpflanzungszellen (Eizellen und Sperma), und anderer biologischer Proben und Materialien
• Als Kühlmittel beim Übertakten von CPUs (Hauptprozessoren), GPUs (Grafikprozessoren), oder anderer Typen von Computerhardware ^[2]
• Wenn an einem Abschnitt von Wasserleitungen gearbeitet werden soll, der nicht durch Ventile vom Netz getrennt werden kann, kann man die zuführenden und abführenden Wasserleitungen mit Hilfe von Flüssigstickstoff einfrieren.
• In der Kryotherapie, um unansehnliche und möglicherweise bösartige Hautveränderungen wie zum Beispiel Warzen und aktinische Keratose zu entfernen
• Im Vorgang der Promession, eine Art der Leichenbestattung
• Kühlung von Hochtemperatursupraleitern auf eine ausreichend niedrige Temperatur um Supraleitung zu ermöglichen
• Bei der kryonischen Konservierung von Menschen und Haustieren, in der Hoffnung, sie irgendwann wiederbeleben zu können
• Als ein Kühlmittel von Gasfallen bei Vakuumpumpen und bei der kontrollierten Verdampfung in der Chemie
• Als ein Kühlmittel um die Empfindlichkeit von Infrarotsuchköpfen von Geschossen wie der Strela 3 zu erhöhen
• Als ein Kühlmittel um temporär mechanische Bestandteile während des Zusammenbaus von Maschinen „einzuschrumpfen“, um eine Pressverbindung zu ermöglichen

Sicherheit

Da die Expansionsrate vom flüssigen Zustand in den gasförmigen Zustand von Stickstoff 1:694 beträgt ^[3], kann beim Sieden von Flüssigstickstoff eine große Kraft entstehen. Bei einem Unfall an der Texas A&M University wurden die Druckablass-Vorrichtungen mit Messingstopfen verschlossen. Als Konsequenz versagte der Tank und explodierte. Die Kraft der Explosion reichte aus, um den Tank durch die Decke direkt über dem Tank zu treiben. ^[4]

Aufgrund seiner niedrigen Temperatur kann Flüssigstickstoff bei unvorsichtigem Gebrauch Erfrierungen verursachen.

Wenn Flüssigstickstoff verdunstet, reduziert er die Konzentration von Sauerstoff in der Luft und kann dadurch Sauerstoffmangel verursachen, besonders in geschlossenen Räumen. Stickstoff ist geruchslos, farblos und geschmackslos, und kann Atemnot ohne vorhergende (sinnliche) Vorwarnung verursachen. ^[5]

Behälter, die Flüssigstickstoff enthalten, können den Sauerstoff aus der Luft kondensieren (siehe Flüssigsauerstoff). Die Flüssigkeit in solch einem Behälter wird immer mehr mit Sauerstoff angereichert solange der Stickstoff verdampft (denn der Siedepunkt von Sauerstoff liegt mit 90 K um 13 K höher als der von Stickstoff). Der Flüssigsauerstoff kann dann starke Oxidation von organischen Materialien verursachen.

Kosten

Der Preis von Flüssigstickstoff hängt von der Entfernung zu entsprechenden Produktionsorten und vom Energiepreis ab; normalerweise liegt der Preis zwischen einigen Cent und einem Euro pro Liter. ^[6]

Siehe auch

• Prozessorkühlung

Einzelnachweise

1. ↑ Umrath, W. (1974) Cooling bath for rapid freezing in electron microscopy. Journal of Microscopy 101, 103–105. (englisch)
2. ↑ Scott Wainner, Robert Richmond: The Book of Overclocking: Tweak Your PC to Unleash Its Power, S. 44, No Starch Press 2003, ISBN 188641176X
3. ↑ Information Specific to Liquid Nitrogen. Harvard University (30. Juli 2003).
4. ↑ Brent S. Mattox. Investigative Report on Chemistry 301A Cylinder Explosion (reprint). Texas A&M University.
5. ↑ British Compressed Gases Association (2000) BCGA Code of Practice CP30. The Safe Use of Liquid nitrogen dewars up to 50 litres. ISSN 0260-4809.[1]
6. ↑ Price of Liquid Nitrogen. The Physics Factbook (2007). Abgerufen am 29. August 2008.

Weblinks

• Behind the scenes video ("Hinter den Kulissen Video") - Wie Flüssigstickstoff in Restaurants zum Kochen und für Cocktails benutzt wird (auf englisch)