Criostatos para almacenamiento criogénico ~ Estudio de la criónica

Los pacientes de Cryonics se almacenan en nitrógeno líquido en criostatos (Cryonics Institute) o dewars (Alcor). Los criostatos y dewars son como grandes termos, con nitrógeno líquido en el medio en lugar de café. Debido a que los criostatos y los dewars son como botellas termo, no dependen de la electricidad. Cuando hay un apagón o un corte de energía, los pacientes de criónica permanecen a la temperatura del nitrógeno líquido.

A principios de 2009, el Instituto Cryonics tenía trece criostatos en servicio para el almacenamiento de pacientes criónicos en nitrógeno líquido. Tres rectangulares y diez cilíndricos. Criogénico (una palabra que a menudo se confunde con "criónico") se refiere a temperaturas inferiores a −100 ºC (−150 ºF). La temperatura del nitrógeno líquido es −196ºC ( −321ºF).

Llamamos criostatos a nuestras unidades HSSV (Hard-Shell, Soft-Vacuum) de fibra de vidrio hechas a medida para distinguirlas de los dewars de acero HSHV (Hard-Shell, Hard-Vacuum) fabricados por empresas como Minnesota Valley Engineering (MVE, adquirida por Chart Denver en 1999). Los Dewar tienen un vacío muy alto ("vacío duro") en un espacio de dos pulgadas entre las paredes de acero. El vacío evita la transferencia de calor por conducción y convección, pero la radiación solo se puede reducir mediante el uso de barreras de radiación hechas de aluminio o película de mylar aluminizado.

Nuestros criostatos tienen paredes internas y externas hechas de un compuesto de fibra de vidrio y resina que es mucho más resistente que la fibra de vidrio o la resina solas. Un vendedor/ingeniero de una empresa de fabricación de criogenia me ha dicho que los Dewar de acero no pueden competir con la fibra de vidrio en cuanto a eficiencia, y que los Dewar de acero del tamaño de nuestros criostatos tendrían aproximadamente el doble de nitrógeno líquido evaporado. La distancia entre las paredes interior y exterior de nuestros criostatos es de aproximadamente un pie para la circunferencia completa de un criostato cilíndrico (o perímetro de un criostato rectangular). Dentro de ese pie de espacio hay aislamiento de perlita empaquetado lo suficientemente suelto como para que se pueda aplicar un vacío suave. No hay diferencia detectable entre la temperatura ambiente y las paredes exteriores de los criostatos,

La perlita es un vidrio volcánico natural no corrosivo, no combustible que se puede utilizar como aislante económico. El mineral de perlita es un vidrio volcánico rico en dióxido de silicio que contiene de 2 a 5 por ciento de agua. Cuando se calienta rápidamente por encima de los 870 °C (1600 °F), la rápida vaporización del agua hace que la roca reviente como palomitas de maíz para formar innumerables burbujas diminutas que expanden el volumen hasta 20 veces, reduciendo la densidad y la conductividad térmica en una cantidad similar.

Conductividad térmica a
baja temperatura y presión

La conductividad térmica resultante para la perlita a baja temperatura y presión es de aproximadamente 0,0007 vatios por metro Kelvin, aproximadamente una milésima parte de la conductividad térmica del agua o los ladrillos y aproximadamente una cuadragésima parte de la conductividad térmica de los paneles de espuma de poliestireno extruido , como Styrofoam® . o Foamular® . Sin embargo, a diferencia del poliestireno extruido, que es químicamente hidrofóbico e impermeable a la humedad debido a las celdas cerradas, la perlita expandida tiene celdas abiertas que pueden infiltrarse con la humedad. La humedad debe mantenerse por debajo del 0,1 por ciento en peso o la capacidad de aislamiento se degrada, debido a la conductividad térmica mucho más alta del agua. El Cryonics Institute obtiene su perlita de Grefco Minerals, Inc.(grado HP 500).

El vacío se mide en unidades de presión de aire, similar a mm Hg (milímetros de mercurio) que se usa para la presión arterial, pero en órdenes de magnitud más bajos: cero micrones Hg para un vacío perfecto. Algunas personas usan el término vacío duro para referirse a una presión de un tercio o menos de la presión atmosférica (la presión atmosférica es de 760 mm Hg), mientras que el vacío suave es cualquier presión menor que la atmosférica, pero mayor que el vacío duro. Otros (incluidos los crionicistas) restringen el término "vacío duro" a presiones de unas pocas micras o menos, y "vacío suave" a presiones mayores que el vacío duro, pero hasta, pero no mayores, que unos pocos órdenes de magnitud superiores.

Una bomba de vacío fuerte crea el vacío fuerte para un dewar en el momento de la fabricación, un vacío destinado a durar 10 años. El vacío es reforzado por captadores , metales químicamente reactivos (generalmente bario, zirconio o sus aleaciones) que reaccionan con oxígeno, nitrógeno, dióxido de carbono y vapor de agua para endurecer aún más el vacío y mantenerlo duro. Los vacíos en nuestros criostatos de vacío suave se refuerzan con nuestras bombas Welsh-Sargent DuoSeal cada dos meses.

El aislamiento de perlita de los criostatos proporciona un respaldo para el vacío suave. Una bala perforante de un rifle de alta potencia podría atravesar todo el diámetro de un criostato o dewar. Pero una bala de pistola o un pinchazo en un montacargas probablemente solo dejaría un agujero en la pared exterior de un criostato. Para un dewar, tal pinchazo sería una emergencia que exigiría el retiro inmediato de los pacientes. Incluso una abolladura puede crear un "punto de acceso" en un dewar. (Paradójicamente, un "punto caliente" se nota como un punto helado en el exterior, que corresponde a un punto cálido en la pared interior del dewar). Pero la pérdida de vacío en un criostato podría no ser un gran problema debido al aislamiento de perlita. Habría tiempo de sobra para reparar la fibra de vidrio y restablecer el vacío.

Aunque tenemos algunos pacientes que son bastante altos y/u obesos, todavía no hemos experimentado ningún problema para colocar a seis pacientes en uno de nuestros cilindros. Habría aún menos problemas en las unidades rectangulares donde los pacientes están acostados y simplemente apilados uno encima del otro en 3 o 4 capas de profundidad (los pacientes están en sacos de dormir y flotan mucho en nitrógeno líquido, por lo que no hay peso aplastante o lesión). En los cilindros el mayor apiñamiento se produce en la zona del tórax, con un estrechamiento general hacia los pies (en parte debido a la variación del perímetro abdominal y de la cadera entre hombres y mujeres). Hay mucho espacio para las piernas.

Los cilindros se llenan semanalmente, mientras que las unidades rectangulares se llenan dos veces por semana. La profundidad del nitrógeno líquido varía desde 7,5 pies como mínimo hasta unos 8 pies justo después de una recarga. El nivel de nitrógeno líquido en los cilindros más eficientes cae solo un poco más de 2 pulgadas en una semana. Entonces, en los cilindros, nuestros pacientes más altos, de aproximadamente seis pies y medio, tienen al menos un pie de nitrógeno líquido por encima de los dedos de los pies en todo momento. Si ocurriera un desastre, lo que no ha sucedido desde que comenzamos a prestar servicio en 1976, los pies serían los primeros en sufrir exposición y la cabeza, el último.

El primer criostato construido se denominó HSSV-1, lo que significa que es una unidad de vacío blando de cubierta dura que contiene un paciente de cuerpo entero. Hard-Shell significa que la cubierta es lo suficientemente dura para mantener la forma cuando se aplica vacío (es decir, las paredes no colapsan debido a la presión externa o interna). El HSSV-1 quedó fuera de servicio a mediados de la década de 1990, cuando CI se mudó a su edificio actual en Clinton Township, Michigan. Pero el HSSV-2 (con dos pacientes de cuerpo entero) permaneció en servicio una década más. HSSV−2parecía una gran cápsula de gelatina apoyada en un ángulo de 20 grados (o parecía una nave espacial lista para ser lanzada). El HSSV-2 se inclinó para que las cabezas de los pacientes pudieran estar hacia abajo, pero no se pudo construir de forma vertical porque el techo del antiguo edificio no era lo suficientemente alto. El HSSV-2 se retiró del servicio en diciembre de 2004, y los dos pacientes que contenía se trasladaron a uno de nuestros nuevos criostatos HSSV-6. Pincha en este enlace: ensayo fotográfico para ver un "ensayo fotográfico" de la mudanza.

CI tiene tres criostatos rectangulares, denominados HSSV-R7, HSSV-R10 y HSSV-R14, que albergan a 7, 10 y 14 pacientes de cuerpo entero, respectivamente. HSSV−R7 es en realidad de caparazón blando en lugar de caparazón duro porque solo mantiene su forma bajo vacío debido a los soportes de madera entre las paredes. Al igual que el HSSV-2, todas las unidades rectangulares fueron construidas por el gerente de instalaciones de CI, Andy Zawacki, utilizando fibra de vidrio epoxi para las paredes internas, fibra de vidrio de poliéster para las paredes externas y madera para el soporte estructural. El HSSV−R10 y el HSSV−R14 se construyeron de tal manera que se evita el uso de madera entre las paredes, ya que la madera conduce el calor.

Andy tardó dos años en construir la unidad HSSV−R14 ("el criostato más grande del mundo"). Estaba demasiado ocupado con las presiones y los proyectos de administrar las instalaciones de CI y tenía problemas con las erupciones causadas por la fibra de vidrio epoxi que se necesita para contener el nitrógeno líquido. Entonces se decidió que sería necesario contratar a un fabricante para construir criostatos de fibra de vidrio. Robert Ettinger favoreció un diseño cilíndrico vertical para unidades que albergarían hasta seis pacientes.

La primera unidad cilíndrica vertical, la HSSV−6−1, tenía defectos estructurales. Primero, Andy encontró un agujero que tuvo que tapar para que la unidad pudiera contener el vacío. Cuando puso nitrógeno líquido en la unidad, se agrietó, lo que lo obligó a revestir el interior con fibra de vidrio. La parte superior gruesa conduce demasiado calor. Había que encontrar otro fabricante. El segundo fabricante usa un tipo de resina de fibra de vidrio que es la misma que usan para las pruebas de nitrógeno líquido de los misiles de crucero. Le dieron a CI buenas garantías sobre la calidad de su trabajo, que ha sido (en su mayor parte) muy bueno.

Antes de obtener el tanque de nitrógeno líquido a granel, pagábamos 50 centavos por litro de nitrógeno líquido. Pero con el tanque a granel, que tiene capacidad para 3000 galones (11 000 litros), solo pagamos alrededor de 13 centavos por litro (poco más de 50 centavos por galón). Un camión de reparto de nitrógeno líquido que parece un camión cisterna de gasolina llena el tanque a granel con 2000 galones aproximadamente una vez cada dos semanas. Un indicador en el tanque lee los niveles de nitrógeno líquido en pulgadas y centímetros. Un llenado de 2100 galones aumentaría la lectura de unas 40 pulgadas a unas 130 pulgadas, o de unos 105 centímetros a unos 325 centímetros. Se tarda poco más de media hora en cargar el nitrógeno líquido en el tanque. Desde el tanque a granel, los criostatos se llenan con nitrógeno líquido a través de tuberías y mangueras aisladas.

Dos veces por semana se llenan los criostatos rectangulares y todos los criostatos se llenan una vez por semana. Llenar los criostatos rectangulares da como resultado una caída de 20 cm en el nivel del tanque a granel, mientras que llenar todos los criostatos da como resultado una caída de 65 cm. A 36 litros por centímetro (cm), el llenado parcial requiere 720 litros y el llenado completo requiere 2340 litros de nitrógeno líquido.

El tanque a granel tiene válvulas de alivio de presión de 175 PSI (libras por pulgada cuadrada) y la línea del tanque a granel hacia el edificio tiene una válvula de alivio de presión de 150 PSI (todas las demás líneas tienen válvulas de alivio de 400 PSI). La presión aumenta con el tiempo en el tanque a granel, pero con dos llenados por semana, la presión del tanque a granel generalmente es inferior a 100 PSI. Justo antes de un llenado, se abrirá una válvula en el tanque a granel para liberar gas y bajar la presión por debajo de 50 PSI.

**DATOS DE BOIL-OFF DEL CRIOSTATO (2008)**
criostato	Boil-off (litros/día)	Costo por paciente por año
HSSV-R7	42.0	$274
HSSV−R10	44.7	$204
HSSV-R14	74.2	$242
HSSV−6−1	22.1	$168
HSSV−6−2	24.5	$186
HSSV−6−3	10.5	$80
HSSV−6−4	10.8	$82
HSSV−6−5	10.9	$83
HSSV−6−6	12.8	$97
HSSV−6−7	11.6	$88
HSSV−6−8	10.5	$80
HSSV−6−9	12.6	$96
HSSV−6−10	20.4	$155

La ineficacia de HSSV-6-10 y la ineficacia relativa de HSSV-6-9 pueden explicarse por el hecho de que tenían tapas temporales mientras almacenaban pacientes.

HSSV−R10 requiere una bomba de vacío que funcione aproximadamente 16 horas por día durante al menos 3 días cada dos meses, tiempo durante el cual el vacío suave cae de casi 200 micrones Hg a menos de 20 micrones Hg. HSSV-R14 es más eficiente que HSSV-R10, con máximos de 20 micrones Hg y mínimos de aproximadamente 1 o 2 micrones Hg después de 2 o 3 (16 horas) días de bombeo al vacío. HSSV−R7 hace el mejor trabajo al mantener el vacío de cualquiera de los criostatos rectangulares, con máximos que no superan los 12 micrones Hg y solo se requieren uno o dos días de bombeo cada dos meses.

Para los criostatos cilíndricos HSSV−6, normalmente bombeamos vacío durante uno o dos días de 16 horas cada dos meses. No parece haber mucha variación en la evaporación del nitrógeno líquido para cualquier presión ("vacío parcial") por debajo de 100 micrones Hg. La siguiente tabla muestra las presiones máximas medidas cada dos meses antes del bombeo al vacío y los días máximos necesarios para bombear el criostato a una presión razonablemente baja (muy por debajo de 10 micrones Hg y generalmente muy cerca de 1 micrones Hg).

**DATOS DE PRESIÓN DEL CRIOSTATO (2008)**
criostato	Presión máxima	Días máximos de bombeo
HSSV−6−1	55 micrones Hg	4
HSSV−6−2	195 micrones Hg	4
HSSV−6−3	45 micrones Hg	3
HSSV−6−4	34 micrones Hg	4
HSSV−6−5	32 micrones Hg	1
HSSV−6−6	109 micrones Hg	2
HSSV−6−7	55 micrones Hg	2
HSSV−6−8	29 micrones Hg	1
HSSV−6−9	69 micrones Hg	2
HSSV−6−10	42 micrones Hg	2

El HSSV−6−1 es menos eficiente porque la pared interior está sujeta a la pared exterior con refuerzos y contratos más gruesos (que conducen más calor), en contraste con los otros criostatos en los que la pared interior solo está conectada a la pared exterior mediante un círculo en la parte superior. HSSV−6−2 es menos eficiente porque no estaba tan lleno de perlita. Con el tiempo, la presión máxima y la cantidad de bombeo requerida para un criostato tiende a disminuir debido a la "desgasificación" del agua y otros volátiles de las paredes de perlita y fibra de vidrio.

Cuando recibimos un nuevo criostato del fabricante, CI debe realizar una gran cantidad de trabajo antes de que el criostato pueda ponerse en servicio, incluido llenar la perlita, hacer un fondo y preparar un filtro. El proceso de preparación se documenta en detalle en el documento WORD Preparación del criostato .

Para probar que los nuevos criostatos no tienen grietas, primero llenamos las seis pulgadas inferiores con nitrógeno líquido y lo dejamos reposar durante la noche. Si no ha habido pérdida de vacío a la mañana siguiente, el criostato se llenará durante un período de diez horas, aproximadamente 20 cm por hora. Se sabe que es una tasa segura. No hemos empujado los límites para descubrir una tasa insegura garantizada para causar grietas. Si hay una pérdida en el vacío durante el llenado, se elimina el nitrógeno líquido y las paredes internas se examinan cuidadosamente en busca de grietas que deben repararse con fibra de vidrio/resina de éster de vinilo. En la mayoría de los casos, el criostato se puede llenar con los siete pies completos sin que se produzcan grietas (pérdida de vacío).

Los criostatos cilíndricos HSSV−6 están recubiertos con un retardante de fuego conocido como Fire-Free 88 , que seleccionamos después de una exhaustiva investigación en el mercado de retardantes. Andy Zawacki, gerente de instalaciones, demostró que tres capas de FF88 podían soportar un minuto completo de la parte más caliente de un soplete sin penetración. El contendiente más cercano fue Contego . Los criostatos más antiguos (rectangulares) se construyeron con un 10% de retardante de fuego de trióxido de antimonio incorporado en el compuesto de fibra de vidrio y resina.

HSSV−2, HSSV−R4 y HSSV−R7

HSSV−6s

Tuberías de nitrógeno líquido

Tanque refrigerado

Tanque de llenado a granel

Detalles técnicos de las resinas de criostato

Todos los criostatos están hechos de material compuesto de fibra de vidrio/resina. Las paredes exteriores de los criostatos rectangulares están hechas de un compuesto de fibra de vidrio y resina de poliéster, mientras que las paredes internas están hechas de un compuesto de fibra de vidrio y resina epoxi. Los criostatos cilíndricos utilizan fibra de vidrio y resina de éster de vinilo tanto para paredes interiores como exteriores.

En todos los casos, la fibra de vidrio se satura con una mezcla de resina almibarada en condiciones en las que los monómeros de resina se polimerizan ("curan"), endureciéndose para formar un compuesto muy fuerte, duradero y resistente a la corrosión. Las resinas de poliéster y viniléster se curan utilizando un catalizador que no se incorpora a la estructura, mientras que para las resinas epoxi el endurecedor se incorpora a la red reticulada final.

Un epóxido es un éter cíclico en el que un átomo de oxígeno se une a dos átomos de carbono. Los monómeros de resina epoxi son típicamente grandes moléculas de hidrocarburo que contienen compuestos aromáticos que tienen epóxidos ("grupos epoxi") en cada extremo. El endurecedor suele ser una diamina que hace que los nitrógenos se unan al carbono terminal del grupo epoxi, desplazando al oxígeno, que acepta un hidrógeno para convertirse en un grupo alcohólico. La resina epoxi utilizada por CI fue diglicidil éter de bisfenol A modificado, y el endurecedor fue amina alifática modificada (trietilentetramaína), ambos de Tool Chemical Co , Inc.

La resina de poliéster es económica y fácil de usar: se combina fácilmente con la fibra de vidrio. La resina de poliéster que usamos tenía un 40-50 % de estireno (Tool Chemical TCC-072). La resina epoxi es la más cara, pero tiene las mejores propiedades térmicas. Desafortunadamente, la resina epoxi es la más difícil de trabajar. Cuando se aplican mallas de fibra de vidrio saturadas con resina demasiado rápido, todas las resinas pueden producir demasiado calor durante el curado, lo que genera burbujas, humo y grietas. Cuando se aplica con demasiada lentitud, las capas no se adhieren lo suficientemente bien como para eliminar las bolsas de aire. La resina de viniléster es más fácil de trabajar que la epoxi, es menos costosa y tiene mejor resistencia a la corrosión. Al igual que las resinas de poliéster, las resinas de viniléster se encogen aproximadamente el doble que las resinas epoxi al curarse, lo que puede provocar grietas internas si no se tiene cuidado para evitarlas.

Los criostatos cilíndricos de CI contienen un éster de vinilo modificado, Hetron 922 ( Ashland Chemical ), que endurece el monómero con un copolímero de butadieno-acrilonitrilo terminado en carboxilo. Al igual que con la resina de poliéster, el catalizador de curado utilizado es el peróxido de metiletilcetona (peróxido de 2-butanona), que inicia un tipo de reacción en cadena de radicales libres que no incorpora el catalizador en la red final. Se utilizan cinco mililitros de peróxido de MEK por libra de Hetron 922.

Es dudoso que la modificación de la resina haga una gran diferencia en las propiedades térmicas de los criostatos cilíndricos de CI, que actualmente tienen una evaporación de nitrógeno líquido de menos de $100 por paciente por año. Sin embargo, puede haber margen de mejora en el mantenimiento del vacío. La diferencia entre 50 micrones de presión y un vacío completo en los criostatos no hace una diferencia notable en la evaporación. Pero cuando la presión en las paredes sube a 100 micrones de mercurio, la evaporación aumenta notablemente. Se necesitan unas tres semanas sin hacer funcionar una bomba de vacío para que la presión suba a 100 micrones.

Las dos razones probables por las que podría aumentar la presión son la desgasificación de la resina y las fugas de las válvulas. Para hacer frente a la primera posibilidad, estamos considerando la idea de calentar el criostato poco después de la entrega para agotar las capacidades de desgasificación de la resina. Con respecto a lo último, actualmente estamos usando válvulas de agua en lugar de válvulas de vacío porque las únicas válvulas de vacío que Andy ha visto eran demasiado pequeñas para nuestros propósitos. Tengo la intención de mirar con más vigor. Potencialmente, podríamos mejorar el rendimiento hasta el punto de que solo necesitaríamos hacer funcionar una bomba cada pocos meses, o incluso años.

Aquellos interesados en explorar la química de las resinas en mayor profundidad pueden encontrar los siguientes enlaces de interés:

Sistemas de resina para uso en materiales compuestos reforzados con fibra

Resina epoxica

Revisión de la literatura sobre resinas