Wofür braucht man Flüssigstickstoff?

In gasförmigem Zustand umgibt uns Stickstoff ständig – er ist Hauptbestandteil der Luft auf der Erde. Flüssigem Stickstoff begegnen wir im alltäglichen Leben allerdings eher selten. Er wird jedoch industriell hergestellt und ist für bestimmte Anwendungen äusserst nützlich.

Schwebender Magnet über Supraleiter

Ein kleiner Magnet schwebt über einem mit flüssigem Stickstoff gekühlten Supraleiter. Bild: PointsofNoReturnf/Wikimedia Commons, CC-Lizenz

Stickstoff ist nur bei extrem kalten Temperaturen flüssig, denn er siedet bereits bei –196 °C. Er siedet bereits bei –196 °C, ist also nur bei extrem kalten Temperaturen flüssig. Dies macht Flüssigstickstoff zu einem Kältemittel, das eine Temperatur weit unter dem Gefrierpunkt von Wasser aufrechterhalten kann – eine Eigenschaft, die für verschiedene Anwendungen genutzt wird.

Flüssigstickstoff ist zudem eine einfach zu transportierende Quelle von Stickstoffgas, welches wiederum für diverse Anwendungen zum Einsatz kommt.

Kühlung von biologischem Material

Zellkultur, aufbewahrt in Flüssigstickstoff

Zellkulturen und andere biologische Proben, die nur bei extrem kalten Temperaturen stabil sind, werden oft in Behältern mit Flüssigstickstoff gelagert und transportiert. Bild: CanStockPhoto

Flüssigstickstoff eignet sich zum Beispiel als Kühlmittel zum Aufbewahren von biologischen Materialien wie Zellen oder Blut, beispielsweise für Laborarbeiten bei niedriger Temperatur oder beim Transport. Er hält das zu kühlende Material solange kalt, bis der gesamte Stickstoff verdampft ist.

Kühlung von Hochtemperatur-Supraleitern

Flüssigstickstoff spielt auch bei der Erzeugung von starken Magnetfeldern mit Hilfe der sogenannten Supraleitung eine Rolle. Das funktioniert folgendermassen: Bei einer Reihe von elektrischen Leitern verschwindet der elektrische Widerstand unterhalb einer bestimmten (sehr tiefen) Temperatur abrupt, elektrischer Strom kann also ohne jeglichen Widerstand fliessen. Diese Eigenschaft wird als Supraleitung bezeichnet. Der Übergang von einem Leiter zu einem Supraleiter findet normalerweise bei Temperaturen um –270 °C statt. Inzwischen konnte man aber auch Materialien schaffen, die bei etwa –170 °C zu Supraleitern werden, die sogenannten Hochtemperatursupraleiter. Da Flüssigstickstoff eine Temperatur von –196 °C hat, eignet es sich für diese Supraleiter als Kühlmittel und ist dabei einiges günstiger und leichter herstellbar als flüssiges Helium, das für andere Supraleiter verwendet wird. Die Supraleitung nutzt man heute unter anderem, um mit supraleitenden Spulen starke Magnetfelder zu erzeugen. Diese benötigt man beispielsweise in Kernspin-Tomographen für die medizinische Diagnostik und in Teilchenbeschleunigern für die physikalische Grundlagenforschung.

Flüssigstickstoff in der Molekularküche

Eiscremeherstellung mit flüssigem Stickstoff

Zur Herstellung von Eiscreme wird der flüssige Stickstoff unter stetigem Rühren unter die Zutaten gemischt. Bild: CanStockPhoto

Die sogenannte Molekularküche nutzt biochemische, physikalische und chemische Prozesse, um Speisen auf neuartige Weise zuzubereiten und in ungewohnter Form zu präsentieren. Flüssiger Stickstoff versetzt Lebensmitteln dank seiner tiefen Temperatur quasi einen Kälteschock und eignet sich damit perfekt für die Herstellung von Glacé und Sorbets. Dazu wird flüssiger Stickstoff unter stetigem Rühren portionsweise den restlichen Zutaten beigefügt. Dank des schnellen Einfrierens bleiben die Aromen erhalten und das Glacé wird besonders cremig. In einigen Städten in Deutschland gibt es sogar schon ganze Eisdielen, die ihr Glacé mit dieser Methode herstellen!

Wie wird Flüssigstickstoff hergestellt?

Um flüssigen Stickstoff zu gewinnen, muss zuerst Luft mit dem sogenannten Linde-Verfahren so weit abgekühlt werden, bis sie sich verflüssigt. Aus der flüssigen Luft kann man anschliessend flüssigen Stickstoff destillieren. In sogenannten Dewargefässen lässt sich Flüssigstickstoff aufbewahren und transportieren; durch konstantes langsames Sieden wird die Temperatur bei –196 °C gehalten.

Aufgepasst!

Flüssigstickstoff beim Umfüllen

Flüssiger Stickstoff beim Umfüllen in ein isoliertes Gefäss. Bild. CanStockPhoto

Beim Nutzen von Stickstoff als Kühlmittel heisst es aufpassen: Kommt Flüssigstickstoff mit wesentlich wärmeren Objekten in Kontakt, siedet er sofort, und eine Schicht von gasförmigem Stickstoff bildet sich um das Objekt. Diese Schicht isoliert gegen den direkten Kontakt mit dem Flüssigstickstoff (sogenannter Leidenfrost-Effekt). Daher eignet sich Flüssigstickstoff nicht für alle Anwendungen als Kühlmittel.

Der Leidenfrost-Effekt führt auch dazu, dass man z. B. eine Hand für kurze Zeit direkt in flüssigen Stickstoff tauchen kann, ohne Erfrierungen zu erleiden. Trotzdem bitte nicht ausprobieren! Trägt man beispielsweise einen Ring oder einen anderen Wärmeleiter, führt dies zum Unterbruch der isolierenden Schicht und es treten sofort Erfrierungen auf. Darum sind beim Hantieren mit Flüssigstickstoff dicke Handschuhe obligatorisch.

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