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clemens clemens clemens
Referat

TitelGasverflüssigung und med. Anwendungen 
AutorStephan  Mittendorfer stephan@fundus.org 
Anzahl Worte2440 
SpracheDeutsch 
ArtSeminararbeit 
SchlagworteLinde Verfahren, Linde AG, Tiefenthemperaturphysik, Anwendung, Kernspintomographie, PET 
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Bewertungnicht bewertet 

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Auszug aus dem Referat (ohne Grafiken)

Übungsdatum: 04.04.2002
Abgabetermin: 18.04.2002











ARGE
Schulversuchspraktikum



Gasverflüssigung &
med. Anwendungen




























Mittendorfer Stephan Matr. Nr. 9956335




INHALT 3
Gasverflüssigung (alllg.) 4
Das Linde Verfahren 5
Linde AG 6
Anwendung 7


ANHANG 9
Folien 10
Geschichte der Tieftemperaturphysik 13
Zusatzinfos: Kernspintomographie / PET 15
















I N H A L T
Gasverflüssigung (allg.)

Entscheidend für den technischen Aufwand bei der Gasverflüssigung ist die Lage der kritischen Temperatur.

Bei Ammoniak (NH3) reicht es aus, das Gas auf 10 bar zu verdichten, dieses dann auf Raumtemperatur abkühlen zu lassen und danach über ein Drosselventil zu expandieren. Bei der, im optimalen Fall adiabatischen Expansion kühlt das Gas so stark ab, dass es in den flüssigen Aggregatszustand wechselt.
Dies ist bei NH3 möglich da die kritische Temperatur bei ca. 406° K bzw. 133° C, also deutlich über der Raumtemperatur liegt.

Bei Stickstoff (N2) versagt allerdings diese relativ einfache Methode. Die kritische Temperatur für N2 liegt nach dieser Tabelle bei -147°C. D.h. über dieser Temperatur kann Stickstoff NIE im flüssigen Zustand auftreten. Das ist auch der Grund, warum eine Stickstofflasche auch bei 200bar keinen flüssigen Stickstoff enthält. Denn unter keinem noch so hohen Druck kann Stickstoff bei Raumtemperatur verflüssigt werden. Aus dem gleichen Grund kann Stickstoff auch nicht ohne zusätzliche Kühlung verflüssigt werden.

Achtung: Flüssiger Stickstoff darf niemals in fest verschlossene Gefäße wie z.B. Thermosflaschen gefüllt werden. Wie aus den Stoffdaten ersichtlich ist, verdampft der Stickstoff bei Raumtemperatur auch im eingeschlossenen Fall, solange bis keine Flüssigkeit mehr vorhanden ist! Welchen Druck das dann erzeugt kann sich sicher jeder vorstellen, wenn man bedenkt, dass 1 l flüssiger Stickstoff ca. 800 l gasförmigen entspricht.

Bei der Herstellung von flüssigem Stickstoff wird der Joule-Thomson-Effekt ausgenutzt. Dieser besagt, dass sich ein Gas abkühlt, wenn es sich ohne Arbeitsleistung und Wärmeaustausch mit der Umgebung (adiabatische Expansion) entspannt. Bei Stickstoff (oder Luft) stellt man pro bar Druckdifferenz eine Abkühlung um 1/4°C fest. Dieser Effekt funktioniert erst ab der sogenannten Inversionstemperatur. Für Stickstoff liegt die se bei 578°C. Über dieser tritt sogar eine Erwärmung des Gases auf. Das ist z.B. bei Wasserstoff der Fall, der eine Inversionstemperatur von -80°C hat.
Physikalisch kann dieser Effekt dadurch erklärt werden, dass die Moleküle beim Entspannen Arbeit gegen die inneren Anziehungskräfte leisten müssen. Wird diese Energie nicht von außen zugeführt, wird sie dem Gas selbst entnommen, das dadurch kalt wird.
Das Linde-Verfahren


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Im Linde-Verfahren wird Luft mit einem Kompressor auf etwa 200bar komprimiert. Anschließend wird sie über ein Drosselventil auf 20 bar entspannt. Dabei tritt eine Abkühlung um 45°C auf. Die kühle Luft dient nun zur weiteren Kühlung der komprimierten Luft. Dazu durchströmt sie vor dem neuerlichen Komprimieren einen Gegenstromkühler, der die Luft vor dem Drosselventil abkühlt. Dieser Vorgang wird solange wiederholt, bis sich ein Teil der Luft bei 20bar schließlich verflüssigt.

Zur Abfüllung muss der Stickstoff dann noch auf Normaldruck entspannt werden, wodurch wieder ein kleiner Teil verloren geht. Die entstehende Verdampfungskälte hilft aber das Gefäß abzukühlen, das zunächst ja noch Raumtemperatur hat.

Für den Transport dürfen nur spezielle Isoliergefäße so genannte Dewar-Gefäße verwendet werden. Diese sind wie eine große Thermosflasche aufgebaut, bestehen aber aus einem Spezialglas, das diesen Beanspruchungen standhält. Zu beachten ist, dass unbedingt ein Entlüftungsloch im Deckel vorgesehen werden muss bzw. der Behälter niemals luftdicht verschlossen werden darf!
Linde AG
Die Firma Linde AG stellt mehr als 600 Gase & Gasgemische für ca. 300 Anwendungsgebiete in derzeit 11 Produktionsstätten in Österreich her.
Derzeit errichtet Linde Gas am VOEST Gelände in Linz die größte Luftzerlegungsanlage Österreichs mit einer Kapazität von 50.000 m3 Sauerstoff / Stunde und 30.000 m3 Stickstoff / Stunde.
In der Lebensmittelindustrie konnte Linde zahlreiche neue Verfahren realisieren – insbesondere für die Verarbeitung von Fleisch. Hervorzuheben ist jedoch die Inbetriebnahme von acht Pelletfrostern. Mit diesen können flüssige Speisen (wie Suppen, Saucen, usw.) stückweise tiefgefroren werden. Die sich daraus ergebende einfache Portionierbarkeit ist ein entscheidender Vorteil für den Konsumenten. (z.B.: „Iglo Junger Spinat Zwutschgerl“)
Linde AG ist der
NEU: Luftzerlegungsanlage am VOEST Gelände in Linz
Wird die größte Österreichs werden
Kapazität: 50.000 m3 O2 & 30.000 m3 N2 pro Stunde
Linde ist derzeit Marktführer in Österreich bei Flüssiggasen, und das Produktionsvolumen im Jahr 2000 beläuft sich auf 470 Mio. m3.

Die Produkte der Linde AG sind unterteilt in:

Anwendung
Positronen-Emissions-Tomographie
Mithilfe der PET ist es möglich frühzeitig Tumore zu erkennen. Als Kontrastmittel wird radioaktiv markierter Zucker in die Blutbahn gespritzt. Der Zucker sammelt sich dort, wo viel Energie verbraucht wird, wie z.B. im Gehirn. Aber auch in Krebszellen sammelt sich der Zucker an, da sie durch die erhöhten Teilungsraten besonders viel Energie verbrauchen. Dies ist eine Möglichkeit Metastasen zu erkennen und zu orten.
Der Nachteil dieser Methode ist eindeutig, dass dem Patienten radioaktives Material injiziert werden muss.

Kernspintomographie


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Das Prinzip dieser Methode nutzt die Tatsache, dass der Sauerstoffgehalt des Blutes dessen magnetische Eigenschaften beeinflusst und so zu einer unterschiedlichen Signalgebung in der Magnetresonanztomographie führt. Die lokalen Veränderungen des Sauerstoffgehalts im Blut während Aktivierungsversuchen können mit hoher räumlicher Auflösung dargestellt und exakt den individuellen anatomischen Strukturen des Gehirns zugeordnet werden. Die Aktivierung eines Hirnareals führt zu einem verstärkten Sauerstoffverbrauch der Nervenzellen.
Der Nachteil dieser Methode ist, dass der Patient einem sehr starken Magnetfeld ausgesetzt werden muss, obwohl man derzeit noch nicht weiß in wieweit sich das auf den Organismus auswirkt.
Weiters sollte die zu untersuchende Person nicht an Klaustrophobie (Platzangst) leiden, da diese für die Untersuchung in eine enge Röhre geschoben werden muss.






SQUIDS (Superconducting Quantum Interference Device)
sind die empfindlichsten Sensoren für magnetischen Fluss, die es gibt. Mithilfe von SQUIDS benutzt man dieselben magnetischen Eigenschaften des Blutes, allerdings muss man den Patienten keinen starken Magnetfeldern aussetzen.






Bei den bis jetzt aufgeführten Anwendungen werden verflüssigte Gase für die Kühlung der Elektronik verwendet, kommen also nur sekundär zum Einsatz.
Flüssige Gase finden mittlerweile auch primär in der Medizin Anwendung. Ein noch relativ junges Gebiet in der Medizin ist das der Kryochirurgie. Diese befindet sich allerdings teilweise noch im Teststadium.

z.b. werden Hauttumore mit Hilfe von flüssigem Stickstoff, mit dem man eine Einfriergeschwindigkeit von bis zu 100° C pro Minute erreicht, auf -40° C abgekühlt. Dies führt zu einer intra- und extrazellulären Eiskristallbildung die eine irreversible Schädigung der Tumorzellen hervorruft. Weiters kann man durch eine langsame Temperaturerhöhung des Gewebes (ca. 10° C pro Minute) erreichen, dass es zu einer massiven intrazellulären Wasseraufnahme kommt, die ein Zerreißen der Zellmembran nach sich zieht. Bei erneuter Anwendung des Zyklus kann man tiefere Gewebeschichten erreichen.

Bei der Kryochirurgie erweisen sich eine Reihe von Anwendungseigenschaften, wie z.B. das schmerz- und blutungsarme Arbeiten und eine geringes Infektionsrisiko als großer Vorteil gegenüber der herkömmlichen invasiven Medizin.

[für Interessierte: Habe zu dem Thema der Kryochirurgie einen Bericht im Internet gefunden, den ich bei Nachfrage an stephan@lehramt.cc gerne weiterleite]

Weiters werden verflüssigte Gase auch noch für die Kryokonservierung verwendet. Die Lagerung von Sperma ist schon weltweit üblich, neu ist die Konservierung von Nabelschnurblut, dessen medizinischer Bedeutung sich Gentechniker immer mehr bewusst werden.

















A N H A N G
Folien

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SQUIDS



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Ergebnis einer Kernspintomographie


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Kernspintomograph
Tiefe Temperaturen beginnen mit Carl v. Linde. Aus diesem Grund sind nachfolgend wesentliche Stationen seines Lebens gegeben:
1868-78 Professor für Maschinenlehre am Polytechnikum München (heutige TUM).
  1. Entwicklung der ersten Kältemaschine. Diese Maschine entstand aus der Notwendigkeit verderbliche Ware über lange Wege zu transportieren.
  2. Gründung der Gesellschaft für Lindes Eismaschinen (heutige Linde AG).
  3. Erneut Professor für Maschinenlehre am Polytechnikum München
  4. Zum ersten mal wird mit dem Linde-Gegenstrom-Verfahren flüssige Luft hergestellt.
  5. Großtechnische Produktion von sog. technischen Gasen (O2 und N2). Durch die Destillation von flüssiger Luft (Verdampfungspunkt fl. O2: 90K, fl. N2: 77K) stehen reine Gase nun für die industrielle Verwendung (Schutzgasschweißen etc.) zur Verfügung. Deshalb bezeichnet man dies auch als die „Geburtsstunde der technischen Gase“.

Weitere wesentliche Entwicklungen der Tieftemperaturphysik und Supraleitung:

  1. In Leiden erfindet Heike Kamerlingh Onnes (s. Bild 1.1) eine zwei-stufige Helium Verflüssigungsmaschine. Hierbei bedient sich die zweite Stufe wieder des Linde-Gegenstrom-Verfahrens.
  2. Kamerlingh Onnes untersucht die Leitfähigkeit von Metallen und deren Restwiderstand (Matthiesensche Regel) bei tiefen Temperaturen. Hierzu benötigt er möglichst reine Metalle. Gut geeignet sind dabei Metalle, die sich leicht verdampfen und destillieren lassen, weshalb er Quecksilber wählt. Im Widerstandsverlauf gegenüber der Temperatur (s. Fig. 1.1) stellt Kamerlingh Onnes dabei „einen Absturz des Widerstandes“ fest. Wie Figur 1.1 zeigt nimmt der Widerstand des Quecksilbers bei ca. 4.22 K von ca. 0,12 Ω auf
    10-5 Ω ab. Durch Verbesserungen des Meßverfahrens konnte anschließend gezeigt werden, daß der Widerstand mindestens um 14 Größenordnungen abnimmt. Dies wird als die Geburtsstunde der Supraleitung bezeichnet.
Für seine Arbeiten auf diesem Gebiet erhielt Kamerling Onnes 1913 den Nobelpreis.
  1. Die ersten Kühlturbinen (Linde AG) zur Erzeugung von tiefen Temperaturen werden kommerziell eingesetzt. Diese zeichnen sich durch einen höheren Wirkungsgrad aus. (Heute werden bei allen Großverflüssigern, wie z.B. am Walther Meissner Institut, Kühlturbinen eingesetzt.)
  2. Fritz und Heinz London stellen die erste quantenmechanische Theorie der Supraleitung auf. Hierbei handelt es sich um eine rein phänomenologische Theorie.
  3. Kapitza (Nobelpreis 1978) entdeckt die Superfluidität von 4He bei T<2,17 K.
  4. Die ersten kommerziellen He-Verflüssiger – nach ihrem Konstrukteuer Collins-Maschine genannt – werden von der Firma Arthur D. Little, Inc. (heute CTI) hergestellt.
  5. Ginzburg und Landau (Nobelpreis 1962) stellen eine phänomenologische Theorie auf, die später auch auf die Hochtemperatursupraleitung anwendbar ist. Bardeen, Cooper und Schrieffer postulieren die sog. BCS- Theorie. Diese mikroskopische Theorie erklärt die metallische Supraleitung (nicht die Hochtemperatursupraleitung) auf Basis der Quantenmechanik.
  6. Lee, Osheroff und Richardson (Nobelpreis 1996) entdecken superfluides 3He. Suprafluidität wurde nur bei Bose-Systemen (Spin =0) erwartet. 3He hat drei Nukleonen und damit Spin 1/2. Es ist also ein Fermion. Ebenso wie es beim Supraleiter (Spin 1/2 –System) zu einer Paarung von Elektronen kommt, so findet eine entsprechende Korrelation bei 3He unterhalb einer bestimmten Temperatur, der sog. kritischen Temperatur Tc, statt. Dadurch bildet sich ein Bose-ähnliches System. Die kritische Temperatur des suprafluiden 3He liegt bei Tc =2.6 mK.
  7. Hall, et al. und Neganov, et al. entwickeln einen 3He/4He-Mischungskühler. Mit diesem können Temperaturen im Intervall von 2mK bis 500 mK erzeugt werden.
  8. J. Clarke entwickelt einen neuen Magnetfeldsensor, den sog. SQUID (Superconducting QUantum Interference Device).
  9. Bednorz und Müller (Nobelpreis 1987) entdecken die Hochtemperatur-supraleitung.
  10. Supraleiter mit einer kritischen Temperatur Tc von über 90K sind technisch realisierbar.[1]
Kernspintomographie, auch Kernspinresonanztomographie oder Magnetresonanztomographie (MRT), ein Bildgebungsverfahren zur medizinischen Diagnose, das sich die Prinzipien der kernmagnetischen Resonanz zunutze macht. Magnetresonanzbilder werden seit über 20 Jahren erstellt, die grundlegenden Forschungen auf diesem Gebiet wurden jedoch bereits in den dreißiger und vierziger Jahren durchgeführt. Damals betrieben Physiker Grundlagenforschung u. a. über das Verhalten von Atomkernen in unterschiedlichen Magnetfeldern. Im Jahr 1950 waren die physikalischen Prinzipien, die der Magnetresonanz zugrunde liegen, im Wesentlichen geklärt. Es mussten jedoch noch drei weitere Faktoren realisiert werden: die Verfügbarkeit schneller und leistungsfähiger Computer; die Konstruktion eines einheitlichen, stabilen Magneten in der Größe eines Menschen mit der dazugehörenden Hochfrequenzelektronik – und die Idee, dass mit diesen Mitteln diagnostisch wertvolle Bilder vom Innern des Menschen erstellt werden können. P. C. Lauterbur, Raymond Damadian und Peter Mansfield zeigten, dass diese Idee durch Anwendung der physikalischen Prinzipien der Kernspinresonanz verwirklicht werden konnte. Die ersten Magnetresonanzbilder wurden Anfang der siebziger Jahre veröffentlicht. In den zehn Jahren zwischen 1983 und 1993 wurden die medizinischen Anwendungsmöglichkeiten in Labors und Kliniken in aller Welt rasch weiterentwickelt.
Auf den ersten Blick ist die Vielzahl der medizinischen Bildgebungstechniken und Anwendungsmöglichkeiten mit Hilfe der Kernspinresonanz überwältigend. Viele halten MRT für das vielseitigste, leistungsfähigste und genaueste der heute verfügbaren diagnostischen Bildgebungsverfahren. Seine Bedeutung für die Medizin lässt sich folgendermaßen zusammenfassen: Mit Hilfe dieser Technik lassen sich auf nichtinvasive Weise (ohne in den Körper einzudringen) in relativ kurzer Zeit dünne Schichtaufnahmen von jedem Körperteil in beliebigem Winkel und beliebiger Richtung erzeugen. Mit Hilfe der elektrokardiographischen Computertomographie wurden außerordentlich detailgetreue anatomische Darstellungen des Herzens ermöglicht. Weitere Fortschritte der MRT erlauben die Darstellung von Arterien und Venen durch Magnetresonanzangiographie. Außerdem lassen sich mit Hilfe der Kernspinresonanzspektroskopie biochemische Verbindungen jedes beliebigen anatomischen Querschnitts des menschlichen Körpers vermessen. Dadurch erhält man immer mehr wertvolle biomedizinische und anatomische Grundlageninformationen, die zur Erlangung neuer Erkenntnisse sowie zur Früherkennung zahlreicher Krankheiten von unschätzbarem Wert sind.
Das Prinzip der Kernspintomographie ist auf den menschlichen Körper anwendbar, weil dieser zahllose winzige biologische Magneten aufweist. In der Hauptsache handelt es sich dabei um Protonen im Kern der Wasserstoffatome, die am empfindlichsten auf Magnetfelder reagieren. MRT macht sich die willkürliche Verteilung der freibeweglichen Protonen zunutze sowie deren grundlegende magnetische Eigenschaften. Das Verfahren läuft im Wesentlichen in drei Schritten ab: Zunächst wird um den Körper ein starkes, stabiles, homogenes Magnetfeld erzeugt (30 000mal stärker als das Magnetfeld der Erde) und damit eine stabile Ausrichtung der Protonen. Als zweiter Schritt wird diese stabile Ausrichtung verändert, indem man elektromagnetisch Hochfrequenzenergie zuführt. Drittens wird diese energetische Stimulation wieder beendet und die im Körper entstehenden Kernresonanzsignale mit Hilfe geeigneter Empfangsspulen gemessen. Die empfangenen Signale dienen als Grundlage für die Erstellung von Bildern des Körperinneren mit Hilfe von Computerverfahren, wie sie bereits für Röntgenaufnahmen, Computertomographie und axiale Computertomographie entwickelt wurden.
Sofern verfügbar, ist MRT in der gegenwärtigen medizinischen Praxis das Diagnoseverfahren der Wahl bei praktisch allen Erkrankungen des Gehirns und des zentralen Nervensystems. Kernspintomographen liefern eine anatomische Darstellung, die mit jenen der Röntgencomputertomographen vergleichbar und an Kontrastauflösung überlegen sind. Mit Hilfe der MRT werden ähnliche funktionelle Informationen wie mit der Positronen-Emissionstomographie (PET) erlangt. MRT-Darstellungen sind jedoch anatomisch detaillierter. Das Verfahren kann auch Röntgenaufnahmen ergänzen, da mit dieser Technik eine Vielzahl weicher Gewebsarten unterschiedlicher Dichte sowohl in gesundem wie auch in krankhaftem Zustand unterschieden werden können. MRT ist risikolos, abgesehen von einigen Kontraindikationen, z. B. bei Patienten mit Herzschrittmachern oder Patienten, bei denen sich Eisenspäne in Augennähe befinden könnten (etwa Metallarbeiter) oder wenn Innenohrtransplantate vorhanden sind. Kernspintomographie ist relativ teuer, das Verfahren ist jedoch auch das eindrucksvollste Beispiel einer neuen, genaueren Diagnosetechnik, die mit weniger Risiko verbunden ist. Manchmal lassen sich damit sogar Kosten senken, da die Diagnosen zunehmend ambulant erstellt werden und dadurch teure Krankenhausaufenthalte vermieden werden können.[2]


Positronenemissionstomographie, PET, ein nuklearmedizinisches Verfahren zur Darstellung des Körperinneren. Für die PET ist ein Zyklotron erforderlich, mit dem man an Ort und Stelle kurzlebige Positronen aussendende Isotope herstellt. Die Isotope werden dem Patienten zusammen mit einer glucoseähnlichen Verbindung injiziert; die Positronen stoßen im Körperinneren mit Elektronen zusammen, und dabei entstehen Photonen, die man mit einem Tomographie-Szintillationszähler nachweisen kann. Die so gewonnene Information wird vom Computer weiterverarbeitet und liefert sowohl Bilder als auch Befunde über Durchblutung und Stoffwechsel des untersuchten Gewebes. Besonders nützlich sind PET-Aufnahmen für die Diagnose von Gehirntumoren, für die Untersuchung der Auswirkungen von Schlaganfällen im Gehirn und für den Nachweis verschiedener geistiger Störungen. Außerdem nutzt man sie in der Gehirnforschung und für die Lokalisierung von Gehirnfunktionen.[3]


[1] Skript Supraleitung und Tieftemperaturphysik, Prof. Dr. H. Kinder (TU München)
[2]"Kernspintomographie."Microsoft® Encarta® Enzyklopädie 2001. © 1993-2000 Microsoft Corporation. Alle Rechte vorbehalten.
[3]"Positronenemissionstomographie."Microsoft® Encarta® Enzyklopädie 2001. © 1993-2000 Microsoft Corporation. Alle Rechte vorbehalten.

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