Es ist ein hoffnungsvolles Zeichen. Pfizer gab bekannt, dass sein Covid-19-Impfstoff zu 90 Prozent wirksam sein könnte. Das könnte uns wirklich helfen, diese verflixte Pandemie zu überstehen. Aber es gibt einen Haken. Der Impfstoff basiert auf mRNA (messenger RNA) – diese liest die DNA im Zellkern ab und transportiert die Anweisungen ins Zytoplasma, wo Proteine produziert werden. Das Problem ist, dass die mRNA normalerweise kurzlebig ist. Sie interagiert entweder mit Sauerstoff oder faltet sich auf sich selbst und verrichtet dann ihre Arbeit nicht. Wenn man sie also in einem Impfstoff verwenden will, muss man die mRNA länger haltbar machen. Das bedeutet, man muss sie kalt halten. Richtig kalt. Die Standardlagertemperatur für diese Art von Impfstoffen ist -80 Grad Celsius. Jein. Also, das bedeutet, wir müssen über kalte Sachen reden. Lassen Sie uns das tun.
Wie kalt ist -80 Grad Celsius?
Vielleicht sind Sie nicht allzu vertraut mit Temperatureinheiten in Celsius – ich verstehe Sie. Ehrlich gesagt gibt es an der Temperatureinheit Fahrenheit eigentlich nichts auszusetzen (außer, dass ich mir nie merken kann, wie man sie schreibt). Der Vorteil der Celsius-Einheit ist, dass sie einfacher zu kalibrieren ist. Die ursprüngliche Methode war, den Gefrierpunkt von Wasser als 0°C und den Siedepunkt von Wasser als 100°C zu verwenden. Später wurde der Wert von 1°C jedoch neu definiert und anhand der Boltzman-Konstante bestimmt – einer fundamentalen Konstante, die eine Beziehung zwischen der durchschnittlichen kinetischen Energie von Teilchen und der Temperatur eines Systems herstellt.
Wenn Sie zwei entsprechende Temperaturwerte sowohl in °C als auch in °F kennen, können Sie eine Gleichung aufstellen, die von Celsius in Fahrenheit umrechnet. Sie können auch Ihre grundlegenden algebraischen Fähigkeiten nutzen, um dies in eine Gleichung zu ändern, die die Temperatur in Fahrenheit nimmt und in Celsius umrechnet. Hier sind diese beiden Gleichungen.
So, wenn Sie eine Temperatur von -80°C eingeben, erhalten Sie eine Temperatur von -112°F. Ja, das ist ziemlich kalt. Aber hier ist meine Lieblingstemperatur: minus 40. Es gibt zwei tolle Dinge an -40. Erstens müssen Sie nicht angeben, ob es sich um Celsius oder Fahrenheit handelt, da -40°C = -40°F ist (probieren Sie es selbst aus). Die zweite geniale Sache an -40 ist, dass es die Temperatur auf der Oberfläche von Hoth ist (aus Star Wars V: The Empire Strikes Back). OK, vielleicht sind sich nicht alle über die Temperatur auf Hoth einig, aber das ist der Wert, der in der Star Wars-Folge von MythBusters verwendet wurde, also bleibe ich dabei.
Wie bekommt man Sachen auf -80 Grad Celsius herunter?
Der einfachste Weg, etwas kalt zu bekommen, ist, es in thermischen Kontakt mit einem anderen Objekt zu bringen, das noch kälter ist. Aber Sie werden vielleicht nicht in der Lage sein, etwas zu finden, das kälter als -80°C ist (obwohl es eine Möglichkeit gibt, zu der ich gleich kommen werde). Das bedeutet, dass Sie eine andere Kühlmethode verwenden müssen. Die wahrscheinlich gebräuchlichste Kühlmethode ist die, die auch Ihr Kühlschrank verwendet. Sie können verstehen, wie dies mit einer sehr einfachen Demo mit einem Gummiband funktioniert – also besorgen Sie sich eines.
OK, Sie haben Ihr Gummiband (hoffentlich). Nehmen Sie es und dehnen Sie es mit Ihren Händen, und halten Sie es gedehnt. Berühren Sie nun das gedehnte Gummiband an Ihrer Lippe (die sehr empfindlich auf Temperaturänderungen reagiert). Sie sollten spüren können, dass das Gummiband wärmer ist als die Raumtemperatur. Lassen Sie das Gummiband nicht entspannen, sondern halten Sie es für eine Weile (mindestens 30 Sekunden) gedehnt. Es sollte sich wieder auf Raumtemperatur abkühlen. Der nächste Teil ist der beste. Lassen Sie das Gummiband schließlich wieder auf seine normale Länge zurückgehen. Berühren Sie es wieder an Ihrer Lippe und Sie können fühlen, dass das Gummiband jetzt kalt ist.
So, hier ist, was passiert ist. Wenn Sie das Gummiband dehnen, wird es warm. Wenn Sie es einfach sofort wieder auf seine ursprüngliche Länge zurückgehen lassen, passiert nichts Interessantes. Lässt man das gedehnte Gummiband jedoch auf Raumtemperatur abkühlen, nimmt die Temperatur immer noch ab, wenn es in seinen entspannten Zustand zurückkehrt – aber jetzt ist es kälter als die Raumtemperatur.
Das ist genau das, was ein Kühlschrank macht – nur nicht mit Gummibändern. Stattdessen verwendet er eine Art Flüssiggas, das als Kältemittel bezeichnet wird (es gibt viele verschiedene Chemikalien, die man hier verwenden könnte). Man könnte mit dem Kältemittel als Gas beginnen und es komprimieren, bis es zu einer Flüssigkeit wird. Durch diese Kompression wird das Kältemittel erwärmt. Der nächste Schritt besteht darin, das komprimierte Kältemittel an der Außenseite des Kühlschranks abkühlen zu lassen. Jetzt können Sie das Kältemittel in den Kühlschrank geben und es sich wieder zu einem Gas ausdehnen lassen, und es kühlt ab – viel kälter als die Raumtemperatur. So halten Sie Ihre Lebensmittel kalt.
Aber was ist anders am -80-Grad-Gefrierschrank für die Lagerung von Impfstoffen? Es stellt sich heraus, dass es so gut wie unmöglich ist, die Innentemperatur des Gefrierschranks mit dem normalen Kältemittel auf -80°C zu bringen. Stattdessen braucht man ZWEI Sätze von Kältemitteln. Es ist eine Art Gefrierschrank innerhalb eines Gefrierschranks. Der äußere Gefrierschrank ist so ähnlich wie der in Ihrer Küche. Der innere Gefrierschrank verwendet ein anderes Kältemittel (vielleicht Isopropylalkohol), so dass er, wenn er komprimiert wird, innerhalb des normalen Gefrierschranks abkühlen kann. Aber zwei Kompressoren zu haben, macht diese teurer. Oh, wollen Sie ein Bild sehen?
Dies ist die Tiefkühltruhe im Biochemie-Labor der Southeastern Louisiana University. Jetzt wissen Sie, wie er aussieht.
Trockeneis
Ich habe Ihnen gesagt, dass es etwas gibt, das Sie bei -80°C finden können, und das ist Trockeneis – festes Kohlendioxid. Um Trockeneis herzustellen, beginnt man mit Kohlendioxidgas. Dieses Kohlendioxid-Gas wird dann abgekühlt und zu flüssigem Kohlendioxid verdichtet. Wenn dann das flüssige Kohlendioxid vom Druck befreit wird, verwandelt es sich wieder in ein Gas. Aber bei diesem Phasenübergang sinkt auch die Temperatur und es wird kalt genug, um bei -80°C zu gefrieren und zu einem Feststoff zu werden.
Aber festes Kohlendioxid macht bei Atmosphärendruck (einem Druck von 1 atm) einige seltsame Dinge – wenn es sich erwärmt, geht es direkt von einem Feststoff zu einem Gas über, ohne zuerst eine Flüssigkeit zu werden. Dies wird Sublimation genannt. Das ist schon seltsam. Da es sich nicht in eine Flüssigkeit verwandelt, ist es nicht nass. Ja, daher kommt auch der Name „Trockeneis“.
Kann H2O das auch tun? Yup. Wir denken gerne, dass der Gefrier- und Schmelzpunkt von Wasser bei einer bestimmten Temperatur liegt – aber das stimmt nicht. Er hängt auch vom Druck ab. Daher ist es hilfreich, ein Diagramm von Temperatur und Druck für verschiedene Chemikalien zu erstellen. Wir nennen dies ein Phasendiagramm. So würde das für H2O aussehen.
In diesem Diagramm gibt es eine Menge, also lassen Sie mich auf einige wichtige Dinge hinweisen. Werfen Sie einen Blick auf die horizontale gepunktete Linie. Das ist die Linie, die dem atmosphärischen Druck entspricht (das ist der Druck, mit dem wir an der Oberfläche der Erde leben). Wenn Sie sich den Graphen auf der linken Seite entlang der gestrichelten Linie ansehen, wäre dies kaltes Material und das Wasser wäre ein Festkörper (wir nennen das Eis). Am Punkt A liegt die Temperatur bei 0°C und das ist die Temperatur des Phasenübergangs von fest zu flüssig. Punkt B ist bei 100°C und das ist der Phasenübergang von flüssig zu gasförmig. Aber was ist mit Punkt C? Das ist der sogenannte Tripelpunkt. Wenn Sie den Druck verringern, können Sie gleichzeitig feste, flüssige und gasförmige Phasen haben. Bei Wasser ist dies bei einer Temperatur von 0,1°C und einem Druck von 0,006 Atmosphären der Fall. Es ist ziemlich cool – sehen Sie es sich in diesem Video an.
Sie können sehen, wie unterschiedlich Kohlendioxid ist, wenn Sie sich das Phasendiagramm ansehen. Es sieht in etwa so aus.
Betrachten Sie die gestrichelte Linie für einen Druck von 1 Atmosphäre, so liegt diese nun unterhalb des Tripelpunktes. Das bedeutet, dass ein Feststoff gerade einen Phasenübergang in ein Gas vollzieht. Das ist die Sache mit dem Trockeneis. Erhöht man jedoch den Druck auf etwa 5 Atmosphären, KANN man festes Kohlendioxid dazu bringen, einen Phasenübergang in die flüssige Phase zu vollziehen. Als Bonus zeige ich Ihnen dieses flüssige Kohlendioxid.
So können Sie es machen. Geben Sie Trockeneis in einen Plastikbehälter, der an beiden Enden verschlossen ist. Ich werde einen durchsichtigen Plastik-Trinkhalm verwenden. Wenn sich das Trockeneis erwärmt, verwandelt es sich in ein Gas, wie es Trockeneis gerne tut. Dieses Kohlendioxid-Gas kann jedoch nirgendwo hin, und dadurch steigt der Druck im Inneren des Strohhalms. Schließlich wird der Druck so hoch, daß sich flüssiges Kohlendioxid bildet. Aber schließlich wird der Druck zu hoch und der Strohhalm explodiert. Es ist keine große Explosion – es ist nur ein Strohhalm. Hier, sehen Sie es sich an.
Ich finde das wirklich cool. Normalerweise, wenn man flüssiges Kohlendioxid hat, ist es in einem Metalldrucktank und man kann es eigentlich nicht sehen. Nun, zumindest hatte ich es noch nie gesehen, bevor ich dieses Experiment gemacht habe.
Aber was ist mit dem Covid-19-Impfstoff?
Ja, das ist das logistische Problem, vor dem wir gerade stehen. Es wird ziemlich schwierig sein, den Impfstoff zu transportieren und dann zu lagern, damit er verteilt werden kann. Das wird eine Kombination aus ultrakalten Gefrierschränken und der Lagerung in Trockeneis erfordern. Aber so oder so, es scheint, dass wir wirklich einen Impfstoff brauchen, um diese Pandemie zu überstehen. Wie jeder Held braucht er einen Sidekick, der in diesem Fall eine super kalte Kühlung ist.
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