Flüssigstickstoff

Grundlagen und Herstellung

Flüssigstickstoff, auf Englisch liquid nitrogen (LN oder LN_{2}), ist Stickstoff im flüssigen Aggregatzustand. Unter Normaldruck siedet er bei 77 K, also −196 °C. Er ist eine klare, farblose Flüssigkeit mit einer Dichte von 0,8061 g/ml am Siedepunkt und einer Viskosität von etwa 1,5 Millipoise (0,15 mPa·s).

Industriell wird Flüssigstickstoff in großen Mengen zusammen mit Flüssigsauerstoff durch fraktionierte Destillation von flüssiger Luft hergestellt. Dabei werden Bestandteile der Luft nach ihren unterschiedlichen Siedepunkten getrennt. Da die Luftverflüssigung auch die einzige Möglichkeit ist, die Edelgase Neon, Krypton, Argon und Xenon zu gewinnen, fällt Flüssigstickstoff als Koppelprodukt an. Helium ist eine Ausnahme, weil es aus heliumhaltigem Erdgas gewonnen wird. Durch diese Herstellung als Nebenprodukt ist Flüssigstickstoff verhältnismäßig billig und gut verfügbar.

Lagerung und physikalisches Verhalten

Flüssigstickstoff kann in gut isolierten Behältern, besonders in Dewargefäßen, gelagert und transportiert werden. Ein Dewargefäß ist ein stark isolierender Behälter, oft mit evakuierter doppelter Wand aus Glas oder Stahl. Beim Lagern bleibt die Temperatur durch langsames Sieden des Stickstoffs konstant bei 77 K. Der gasförmige Stickstoff muss dabei entweichen können, damit kein gefährlicher Druck entsteht. Je nach Größe und Aufbau des Isoliergefäßes kann die maximale Aufbewahrungszeit von einigen Stunden bis zu einigen Wochen reichen.

Flüssigstickstoff lässt sich auch verfestigen: Gibt man ihn in eine Vakuumkammer mit einer Drehschieberpumpe, kann er in den festen Zustand überführt werden. Stickstoff gefriert bei 63 K, also −210 °C. Als Kühlmittel zeigt flüssiger Stickstoff wegen des Leidenfrost-Effekts zunächst nur begrenzte Wirkung, solange der zu kühlende Gegenstand noch warm ist. Beim Leidenfrost-Effekt bildet verdampfender Stickstoff eine isolierende Gasschicht. Eine schnellere und bessere Kühlung erreicht man, wenn ein Gegenstand in eine Mischung aus festem und flüssigem Stickstoff gegeben wird statt nur in flüssigen Stickstoff.

Wichtige Anwendungen

Flüssigstickstoff ist eine kompakte und leicht transportierbare Quelle von Stickstoffgas. Außerdem ist er als Kältemittel wichtig, weil er Temperaturen weit unter dem Gefrierpunkt von Wasser aufrechterhalten kann. Er wird in der Kryotechnik genutzt, also in technischen Verfahren mit sehr tiefen Temperaturen.

Eine wichtige Anwendung ist die Kryokonservierung, also die Aufbewahrung biologischer Stoffe bei sehr niedrigen Temperaturen. Dazu gehören Blut, Eizellen, Sperma, andere Zellen, biologische Proben und Materialien. Flüssigstickstoff dient außerdem als Quelle für sehr trockenes Stickstoffgas und zum Gefrieren von Nahrungsmitteln für den Transport.

In Technik und Forschung wird Flüssigstickstoff als Kühlmittel für CPUs, GPUs und andere elektronische Bauteile verwendet. Er kühlt Hochtemperatursupraleiter auf niedrige Temperaturen, bei denen Supraleitung möglich wird. Supraleitung bedeutet, dass ein Material unter bestimmten Bedingungen elektrischen Strom ohne elektrischen Widerstand leiten kann. Außerdem wird Flüssigstickstoff bei Gasfallen an Vakuumpumpen, bei kontrollierter Verdampfung in der Chemie und zur Erhöhung der Empfindlichkeit von Infrarotsensoren eingesetzt.

In Medizin und Alltagstechnik gibt es weitere Anwendungen. In der Kryotherapie wird Flüssigstickstoff verwendet, um Hautveränderungen wie Warzen oder aktinische Keratose zu entfernen. Im Maschinenbau dient er dazu, mechanische Teile einzuschrumpfen, damit Pressverbindungen möglich werden, und zur Verbindung von Wellen und Laufrädern durch Querverpressung. Beim Recycling können Gummi und Verbundwerkstoffe bei tiefen Temperaturen zermahlen werden. Im Tiefbau wird Flüssigstickstoff zur Bodenvereisung genutzt, bei der Bodenwasser künstlich gefriert und den Boden verfestigt. Außerdem kann er zur Rohrfrostung eingesetzt werden, um eine Rohrleitung vorübergehend zu verschließen.

Weitere Anwendungen betreffen die Herstellung von Speiseeis, die Molekularküche, die Inertisierung von Tanks zur Explosionsvorbeugung, die kryonische Konservierung von Menschen und Haustieren in der Hoffnung auf spätere Wiederbelebung sowie die sogenannte Promession, eine Form der Leichenbestattung.

Gefahren durch Kälte und Druck

Die sehr niedrige Temperatur von Flüssigstickstoff kann bei unvorsichtigem Umgang in kürzester Zeit Erfrierungen verursachen. Zwar kann eine Hand kurz in flüssigen Stickstoff getaucht werden, solange keine guten Wärmeleiter wie metallische Ringe getragen werden, weil verdampfender Stickstoff an der Haut eine isolierende Gasschicht bildet. Kommt die Haut aber mit Metall oder anderen Wärmeleitern in Kontakt, wird diese Isolation sofort unterbrochen. Dann kann es zu schweren Erfrierungen und zum Absterben von Gewebe kommen. Für sicheres Be- und Umfüllen werden deshalb häufig Schnellkupplungen verwendet.

Beim Sieden dehnt sich Stickstoff stark aus. Beim Übergang vom flüssigen in den gasförmigen Zustand steigt sein Volumen bei Raumtemperatur um den Faktor 700. Wenn der entstehende Gasdruck nicht entweichen kann, können explosive Kräfte auftreten. Als Beispiel nennt der Artikel einen Unfall an der Texas A&M University: Ein verstopfter Tank versagte, explodierte und wurde durch die Decke über dem Tank geschleudert.

Flüssigstickstoff darf deshalb nur so gelagert werden, dass ein Druckausgleich zur Umgebung möglich ist. Er sollte nur von geschulten Personen gehandhabt werden. Es kam bereits zu schweren Verletzungen bis hin zu Todesfällen durch unsachgemäße Handhabung, etwa wenn Flüssigstickstoff aus der Molekularküche in einer fest verschlossenen Thermoskanne transportiert wurde.

Gesundheits- und Sauerstoffrisiken

Das Bundesinstitut für Risikobewertung (BfR) weist auf Gesundheitsrisiken beim Food-Trend „Dragon Breath“ hin. Dabei werden Lebensmittel mit flüssigem Stickstoff gefroren und lose zum Verzehr abgegeben. Während des Verzehrs kondensiert der Atem und wirkt wie „Drachenatem“. Die extreme Kälte kann aber Zunge und Mundschleimhaut verletzen, was auch als Gefrierbrand oder Kälteverbrennung bezeichnet wird. Auch Schäden an den Zähnen sind möglich.

Wenn Flüssigstickstoff verdunstet oder größere Mengen unkontrolliert austreten, sinkt die Sauerstoff-Konzentration in der Luft. Besonders in geschlossenen Räumen kann dadurch Sauerstoffmangel entstehen. Kalter Stickstoff ist schwerer als warme Umgebungsluft, daher kann sich eine Schichtung bilden: Unten kann die Sauerstoffkonzentration stärker sinken als oben. Da Stickstoff geruchlos, farblos und geschmacklos ist, kann unbemerkt eine Hypoxie entstehen, also eine Unterversorgung des Körpers mit Sauerstoff.

Für den Transport gelten besondere Vorsichtsmaßnahmen. In Kraftfahrzeugen darf Flüssigstickstoff in Kryobehältern nur transportiert werden, wenn Fahrgastzelle und Transportzelle strikt getrennt sind. Beim Transport von Kryobehältern in Aufzügen dürfen keine Personen mitfahren. Dafür sollen Aufzüge mit Schlüsselsteuerung verwendet oder andere Maßnahmen getroffen werden, damit niemand zusteigen kann.

Eine weitere Gefahr entsteht durch Sauerstoff aus der Luft. Flüssigstickstoff hat mit −196 °C beziehungsweise 77 K einen niedrigeren Siedepunkt als Sauerstoff mit −183 °C beziehungsweise 90 K. Daher kann Sauerstoff aus der Luft an Flüssigstickstoff-Leitungen kondensieren oder in offene Behälter tropfen. Der Flüssigstickstoff wird dann zunehmend mit Flüssigsauerstoff verunreinigt. Bei späterer Verwendung kann diese Mischung starke Oxidation bis hin zur Explosion verursachen, besonders bei Kontakt mit organischen Materialien. Reiner flüssiger Stickstoff ist farblos und transparent; eine blassbläuliche Farbe in dicker Schicht kann auf Flüssigsauerstoff hinweisen.

Kosten und Verfügbarkeit

Der Preis von Flüssigstickstoff hängt vor allem vom Energiepreis und von der Entfernung zu Produktionsorten ab. In industrialisierten Gebieten liegt er ungefähr bei 10–50 Cent pro Liter. Kleinmengen und Lieferungen an abgelegene Orte können deutlich teurer sein.

Weil Flüssigstickstoff als Koppelprodukt bei der Gewinnung bestimmter Edelgase entsteht, beeinflusst deren Nachfrage auch das Angebot. Steigt die Nachfrage nach Edelgasen mit Ausnahme von Helium, steigt auch das Angebot an flüssigem Stickstoff. Wenn gleichzeitig die Nachfrage nach Flüssigstickstoff nicht steigt, kann dadurch sein Preis sinken.

Anders als Aluminium, bei dem Energie ebenfalls ein wichtiger Kostenfaktor ist, wird flüssiger Stickstoff weniger global transportiert und gehandelt. Der Grund ist, dass kryogene Transporte energieintensiv oder verlustbehaftet sind. Verlustbehaftet bedeutet hier, dass ein Teil der transportierten Substanz verdampft, um die übrige Menge kalt zu halten.