Welche Temperatur herrscht in einer Kryokammer?

Der Begriff „Kryogenik“ weckt Assoziationen mit Science-Fiction-Szenarien, wie sie in Büchern und Filmen häufig vorkommen, etwa mit dem Einfrieren von Körpern für lichtjahrelange Weltraumreisen oder deren Wiedererweckung in ferner Zukunft. 

Eine Bildsprache, die für viel Verwirrung hinsichtlich der wissenschaftlichen Realität der Kryonik und der Kryokammer gesorgt hat und sehr polarisierte Meinungen verbreitet hat, wie zum Beispiel: Wir können es wie in den Filmen machen / Das ist alles Unsinn.

In Wirklichkeit ist die Kryotechnik eine Technologie, die tatsächlich existiert und in zahlreichen Sektoren Anwendung findet, von der Medizin bis zur wissenschaftlichen Forschung, auch wenn sie (noch) weit von ihrer fiktiven Darstellung entfernt ist.

Heute werden wir uns ansehen , was eine Kryokammer ist, welche Temperatur sie erreicht und wofür sie eingesetzt wird.

Was ist eine Kryokammer?

Kryogenik kommt aus dem Griechischen und bedeutet „Erzeugung von Kälte“. Daher verwenden wir diesen Namen für all jene Technologien, die zur Erzeugung extrem niedriger Temperaturen entwickelt wurden.

Obwohl der Begriff ursprünglich die Kälteerzeugung selbst bezeichnete, wird er heute für alle Geräte verwendet, die Temperaturen unterhalb derer von Ultratiefkühlschränken erzeugen können. Die allgemein anerkannte Schwelle liegt bei -145 °F bzw. -230 °F.

Um diese Schwelle zu überschreiten, ist der Einsatz kryogener Fluide, also flüssiger Gase mit extrem niedrigen Temperaturen. Üblicherweise wird flüssiger Stickstoff verwendet.

Eine Kryokammer ist daher ein Laborinstrument, das speziell dafür entwickelt wurde, diese extremen Temperaturen mithilfe von kryogenen Flüssigkeiten zu erreichen.

Kryokammern sind stets hermetisch abgedichtete Umgebungen, in denen diese Umgebungsbedingungen erreicht werden können, aber sie können je nach Anwendungsgebiet unterschiedliche Größen aufweisen.

Aber wozu dient eine Kryokammer?

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Wozu dient eine Kryokammer?

Die Erzeugung von Umgebungen mit extrem niedrigen Temperaturen kann viele Anwendungen haben, die sich jedoch in zwei Hauptbereiche unterteilen lassen: Kryotherapie und Kryokonservierung.

Die Kryotherapie ist eine der bekanntesten Anwendungen von Kryokammern, insbesondere in den Bereichen Sportmedizin und Wellness. 

Bei dieser Technik wird der Körper oder Teile davon für kurze Zeit extrem niedrigen Temperaturen ausgesetzt, üblicherweise zwischen -110 °C und -140 °C. Während einer Kryotherapie-Sitzung reagiert der Körper auf den drastischen Temperaturabfall mit einer reduzierten Durchblutung des behandelten Bereichs, wodurch Entzündungen und Schmerzen gelindert werden können. Diese Behandlung wird aufgrund ihrer entzündungshemmenden, schmerzlindernden und muskelregenerierenden Wirkung sehr geschätzt und beschleunigt die Heilung sowie die sportliche Leistungsfähigkeit.

Die Kryokonservierung hingegen ist für die medizinische und wissenschaftliche Forschung von Interesse. Diese Temperaturen eignen sich ideal zur effektiven Konservierung bestimmter Arten biologischer Proben, wie z. B. Zellen, Gewebe, Embryonen und anderem genetischen Material. 

Bei extrem niedrigen Temperaturen kommt die biologische Aktivität nahezu vollständig zum Erliegen, was eine Langzeitlagerung ohne Qualitätsverlust ermöglicht. 

Kryokammer, Gefrierschrank oder Ultra-Ultra-Gefrierschrank?

Kryokammern sind jedoch nicht das einzige Hilfsmittel, das in der medizinischen und wissenschaftlichen Forschung zur Konservierung von Proben eingesetzt wird. Dazu gehören auch Gefrierschränke und Ultratiefkühlschränke.

Erstere erreichen im Allgemeinen Temperaturen zwischen -15° und -25°, während letztere sogar -80° erreichen können.

Wie aus dem bereits Gesagten hervorgeht, sind Kryokammern die mit Abstand leistungsstärksten der drei. Sie erreichen Temperaturen von mindestens -145°, um als solche bezeichnet zu werden, und sind die einzigen, die flüssigen Stickstoff als Kühlmedium verwenden.

Diese Leistung ist jedoch mit hohen Kosten in Bezug auf Energie und Rohstoffe und folglich auch in wirtschaftlicher Hinsicht verbunden.

für die meisten Proben Ultratiefkühlschränke insbesondere wenn die Lagerdauer nicht übermäßig lang sein muss.

Wir haben das hier ausführlicher besprochen.

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Referenzstandards

• ISO 21009-2 — Kryogene Behälter: Statische vakuumisolierte Behälter, Betriebsanforderungen, Anforderungen an kryogene Vakuumbehälter für die LN2/LHe-Lagerung.
• EN 13458 — Kryogene Behälter: Statisch vakuumisolierte Behälter, Konstruktion, Bau, Inspektion und Prüfung für die europäische PED-Verordnung.
• CGA P-12 — Sicherer Umgang mit kryogenen Flüssigkeiten: Amerikanische Sicherheitsrichtlinien für Betreiber kryogener Systeme.
• ASTM E1530 — Standardprüfverfahren zur Bestimmung des Wärmedurchgangswiderstands mittels der geschützten Wärmestrommesstechnik, anwendbar auf die Charakterisierung von MLI-Isolierungen.
• ISO 23208 — Kryogene Behälter: Reinheit für kryogene Anwendungen, Reinheitsanforderungen für flüssigen Sauerstoff und reaktive Fluidsysteme.
• ISO 11114 — Gasflaschen: Kompatibilität der Werkstoffe von Flaschen und Ventilen mit dem Gasinhalt.

Autoritative Quellen

• CGA – Compressed Gas Association (Verband der Druckgashersteller). Amerikanische Referenzorganisation für die Sicherheit von Druckgasen und kryogenen Flüssigkeiten.
• CEN – Europäisches Komitee für Normung. Pflegt die Normenreihe EN 13458 für Kryobehälter gemäß der PED-Richtlinie 2014/68/EU.
• ISO – Internationale Organisation für Normung. Veröffentlicht ISO 21009 und verwandte Normen für Kryobehälter.

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Häufig gestellte Fragen zur Kryokammertemperatur

Welche Mindesttemperaturen können erreicht werden?

Industrielle Kryokammern decken je nach Arbeitsmedium unterschiedliche Temperaturbereiche ab. Mechanische Kaskadensysteme mit R23/R170 erreichen mit Kaskadenkompressoren -90/-100 °C ohne Verbrauchsmaterialien, jedoch mit begrenzter Kühlleistung (typischerweise 500–3000 W bei -90 °C). Flüssig-CO₂-Systeme (Wärmetauscher in LCO₂ eingetaucht) erreichen -78,5 °C , den Sublimationspunkt, mit schneller Direkteinspritzung und einer vom Dewarvolumen abhängigen Autonomie (typischerweise 2000–5000 l). LN₂-Systeme mit Direkteinspritzung oder Wärmetauscher decken -100/-196 °C (Stickstoff-Siedepunkt bei 1 atm) ab und zeichnen sich durch außergewöhnliche Kühlraten (>60 °C/min) und hohe Vielseitigkeit aus. LHe-Systeme erreichen -269 °C (4,2 K) für supraleitende Anwendungen und die Qualifizierung für die Raumfahrt. Die Wahl des Systems hängt von der Anwendung ab: Für den Kaltstart in der Automobilindustrie bei -40 °C wird ein Kaskadensystem verwendet; Für die Lagerung von Arzneimitteln bei -80 °C wird eine verstärkte Kaskadenkühlung oder CO2 verwendet; für Weltraumsimulationen bei -150 °C wird flüssiger Stickstoff (LN2) benötigt; für Quantencomputer wird flüssiges Helium (LHe) mit einem Verdünnungskühler benötigt.

Unterschied zwischen LN2, CO2 und mechanischer Kaskade?

Der Vergleich der Gesamtbetriebskosten (TCO) verdeutlicht erhebliche Unterschiede. Mechanische Kaskade: hohe Investitionskosten (30.000–80.000 EUR), niedrige Betriebskosten (nur Strom, ca. 3–8 kW bei -80 °C), keine Logistik für Verbrauchsmaterialien, normale Kompressorwartung alle 5–10 Jahre. Flüssiges CO₂: niedrige Investitionskosten (10.000–25.000 EUR), mittlere Verbrauchskosten (150–300 EUR/Woche für einen 180-Liter-Dewar), hohe Kühlrate (>20 °C/min), anwendbar bis -80 °C, Verbrauch von 2–5 kg CO₂ pro Abkühlung von Umgebungstemperatur auf -70 °C in einer 500-Liter-Kammer. LN2: Mittlere Investitionskosten (20.000–50.000 EUR), variable Verbrauchskosten (0,3–1,2 EUR/L LN2), extrem hohe Kühlleistung, benötigt 5.000–20.000-Liter-Dewargefäße mit Außensteckdosen und Genehmigungen der Feuerwehr, Verbrauch 3–8 L LN2 pro Liter Kammervolumen für jeden Tiefentauchgang. Die optimale Wahl berücksichtigt Nutzungshäufigkeit, Zykluszeit, minimal erforderliche Temperatur und die logistische Verfügbarkeit von Verbrauchsmaterialien.

Wie isoliert man eine Kryokammer?

Die Wärmedämmung ist entscheidend, um Wärmeverluste und Energieverbrauch zu minimieren. Professionelle Kryokammern verfügen über folgende Merkmale: (1) Vakuumwände mit abgedichteter Innenkammer, ein Vakuum von 1e-4 mbar, das durch Molekulargetter oder Turbopumpen aufrechterhalten wird; (2) eine Mehrschichtisolierung (MLI) zwischen Innenkammer und Außenhülle, bestehend aus 30–50 Lagen aluminisiertem Mylar mit einer Gesamtdicke von 20–40 mm und einer Wärmeleitfähigkeit von 1e-5 W/mK; (3) aus niedrigleitendem Glasfasermaterial oder G-10-Glasfasermaterial mit maximaler Länge zur Minimierung der Wärmeleitung; (4) Zwischenabschirmungen mit 77 K (sofern flüssiger Stickstoff verfügbar ist), um die Strahlung der Außenhülle zu reduzieren; (5) Kabeldurchführungen mit niedrigleitenden Manganin- oder Phosphorbronze-Drähten. Typische Wärmeverluste für eine 500-Liter-Kryokammer mit MLI unter Vakuum: 5-15 W bei -150 °C, 30-80 W bei 77 K. Die direkte Messung des Wärmeverlusts erfolgt mit der LN2-Verdampfungsmethode durch Wiegen des Verbrauchs über die Zeit und Berechnung der dispergierten Leistung.

Welche Sicherheitsrisiken bestehen bei der ODH-Behandlung von Kryokammern?

Das Risiko einer Sauerstoffmangelgefährdung (ODH) ist in kryogenen Systemen am größten: 1 Liter verdampfender flüssiger Stickstoff (LN2) erzeugt 696 Liter Stickstoffgas bei 20 °C. Dies reicht aus, um den Sauerstoffgehalt in einem schlecht belüfteten 50 m³ großen Raum unter 19,5 % zu senken. Bewusstlosigkeit aufgrund von Hypoxie kann rasch (< 30 s) und ohne sensorische Vorwarnung eintreten. Obligatorische Maßnahmen gemäß CGA P-12: (1) Wandmontierte Sauerstoffsensoren mit akustischem Alarm bei 19,5 % und Abschaltung bei 18 % (in der Nähe der Kammer und des Raumausgangs); (2) Mechanische Belüftung mit mindestens 6 Luftwechseln pro Stunde und einem Volumenstrom, der den Verbrauch an verdampfbarem Stickstoff übersteigt, im Falle eines Ausfalls; (3) Leckagedetektoren an den Entlüftungsöffnungen; (4) Spezielle Schulung des Bedienpersonals im Umgang mit persönlicher Schutzausrüstung (PSA) (umluftunabhängiges Atemschutzgerät für Notfalleinsätze); (5) Piktogramme und Warnschilder gemäß ADR 2.2. Sekundäre Risiken: Verbrennungen durch Kältekontakt (Kryohandschuhe, Visier), Überdruck durch Verdampfung in einer geschlossenen Umgebung (Sicherheitsventile an Dewargefäßen, Ausdehnungsgefäße), Zersplitterung versprödeter Metalle (ferritische Stähle zerfallen unter -100 °C zu Splittern, verwenden Sie nur austenitischen Stahl AISI 316L).