2.

Evolución histórica

Los primeros trabajos en la física de bajas temperaturas realizados por los químicos británicos Humphry Davy y Michael Faraday entre 1823 y 1845 allanaron el camino para el desarrollo de la criogenia. Davy y Faraday generaron gases calentado una mezcla adecuada en un extremo de un tubo estanco con forma de V invertida. El otro extremo se mantenía en una mezcla de hielo y sal para enfriarlo. La combinación de temperaturas reducidas y altas presiones hacía que el gas generado se licuara. Al abrir el tubo, el líquido se evaporaba rápidamente y se enfriaba hasta su punto de ebullición normal. Evaporando a bajas presiones dióxido de carbono sólido mezclado con éter, Faraday obtuvo una temperatura de aproximadamente 163 K (-110 °C).

Si un gas a temperatura moderada se expande a través de una válvula, su temperatura aumenta. Pero si su temperatura inicial está por debajo de la llamada temperatura de inversión, la expansión provoca una reducción de temperatura: es lo que se llama efecto Joule-Thomson. Las temperaturas de inversión del hidrógeno y el helio, dos gases criogénicos fundamentales, son extremadamente bajas, y para lograr una reducción de temperatura por expansión, deben enfriarse primero por debajo de sus temperaturas de inversión: el hidrógeno mediante aire líquido y el helio mediante hidrógeno líquido. Generalmente, este método no logra la licuefacción de gases en un solo paso, pero encadenando los efectos en cascada, el físico francés Louis Paul Cailletet y el físico suizo Raoul Pierre Pictet, de forma independiente, lograron producir en 1877 algunas gotas de oxígeno líquido. El éxito de estos investigadores marcó el final del concepto de gases permanentes, y estableció la posibilidad de licuar cualquier gas mediante una compresión moderada a temperaturas inferiores a la temperatura de inversión.

El físico holandés Heike Kamerlingh Onnes montó la primera planta de producción de aire líquido en 1894, utilizando el principio de cascada. A lo largo de los siguientes 40 años, investigadores de Gran Bretaña, Francia, Alemania y Rusia desarrollaron diversas mejoras del proceso. El químico británico James Dewar fue el primero en licuar el hidrógeno en 1898, y Kamerlingh Onnes licuó el helio (el gas más difícil de licuar) en 1908. Desde entonces se ha dedicado una atención cada vez mayor al estudio de fenómenos a bajas temperaturas. Uno de los retos ha seguido siendo mejorar la eficiencia haciendo que un gas refrigerante opere en un motor alternativo o una turbina. Fueron notables los trabajos del físico ruso Piotr Kapitsa y el ingeniero estadounidense Samuel Collins. Un licuador de helio basado en el diseño de Collins ha hecho posible que muchos laboratorios no especializados puedan realizar experimentos en el punto de ebullición normal del helio, 4,2 K (-268,9 °C).