C’est un signe d’espoir. Pfizer a annoncé que son vaccin Covid-19 pourrait être efficace à 90 %. Cela pourrait vraiment nous aider à surmonter cette maudite pandémie. Mais il y a un hic. Le vaccin est basé sur l’ARNm (ARN messager) – celui-ci lit l’ADN dans le noyau d’une cellule et transporte les instructions vers le cytoplasme où les protéines sont produites. Le problème est que l’ARNm a normalement une courte durée de vie. Il interagit avec l’oxygène ou se replie sur lui-même et ne fait plus son travail. Si vous voulez l’utiliser dans un vaccin, vous devez donc faire en sorte que l’ARNm dure plus longtemps. Ce qui signifie que vous devez le garder au froid. Vraiment froid. La température standard de stockage pour ces types de vaccins est de -80 degrés Celsius. Ouaip. Donc, cela signifie que nous devons parler de trucs froids. Faisons-le.
Combien il fait froid à -80 degrés Celsius ?
Vous n’êtes peut-être pas trop familier avec les unités de température en Celsius – je vous entends. Honnêtement, il n’y a rien de vraiment mauvais avec l’unité de température Fahrenheit (sauf que je ne peux jamais me rappeler comment l’épeler). L’avantage de l’unité Celsius est qu’elle est plus facile à calibrer. La méthode originale consistait à utiliser le point de congélation de l’eau (0°C) et le point d’ébullition de l’eau (100°C). Cependant, la valeur de 1°C a été redéfinie plus tard pour être déterminée à partir de la constante de Boltzman – une constante fondamentale qui donne une relation entre l’énergie cinétique moyenne des particules et la température d’un système.
Si vous connaissez deux valeurs de température correspondantes à la fois en °C et en °F, vous pouvez établir une équation qui convertit les Celsius en Fahrenheit. Vous pouvez également utiliser vos compétences algébriques de base pour transformer cela en une équation qui prend la température en Fahrenheit et la convertit en Celsius. Voici ces deux équations.
Donc, si vous mettez une température de -80°C, vous obtenez une température de -112°F. Oui, c’est plutôt froid. Mais voici ma température préférée : moins 40. Il y a deux bonnes choses avec -40. Tout d’abord, vous n’avez pas besoin de préciser si c’est en Celsius ou en Fahrenheit puisque -40°C = -40°F (allez-y, vérifiez par vous-même). La deuxième chose géniale à propos de -40 est que c’est la température à la surface de Hoth (dans Star Wars V : L’Empire contre-attaque). OK, peut-être que tout le monde n’est pas d’accord sur la température de Hoth, mais c’est la valeur utilisée dans l’épisode Star Wars de MythBusters, alors je vais m’y tenir.
Comment faire descendre des choses à -80 degrés Celsius ?
La façon la plus simple de rendre quelque chose froid est de le mettre en contact thermique avec un autre objet encore plus froid. Mais il se peut que vous ne puissiez pas trouver quelque chose de plus froid que -80°C (bien qu’il existe une option que j’aborderai dans un petit moment). Cela signifie que vous devez utiliser une méthode de refroidissement différente. La méthode de réfrigération la plus courante est probablement celle qu’utilise votre réfrigérateur. Vous pouvez comprendre comment cela fonctionne avec une démonstration très simple utilisant un élastique – alors allez en chercher un.
OK, vous avez votre élastique (avec un peu de chance). Prenez-le et étirez-le avec vos mains, et gardez-le étiré. Maintenant, touchez l’élastique étiré à votre lèvre (qui est très sensible aux changements de température). Vous devez pouvoir sentir que l’élastique est plus chaud que la température ambiante. Ne laissez pas l’élastique se détendre, mais gardez-le tendu pendant un petit moment (30 secondes au moins). Il devrait se refroidir et revenir à la température ambiante. La partie suivante est la meilleure. Laissez enfin l’élastique reprendre sa longueur normale. Touchez-le à nouveau à votre lèvre et vous pouvez sentir que l’élastique est maintenant froid.
Donc, voici ce qui s’est passé. Le fait d’étirer l’élastique le fait se réchauffer. Si vous le laissez simplement revenir tout de suite à sa longueur initiale, rien d’intéressant ne se produit. Cependant, en laissant l’élastique étiré se refroidir à température ambiante, sa température diminue encore lorsqu’il revient à son état détendu – mais maintenant il finit par être plus froid que la température ambiante.
C’est exactement ce que fait un réfrigérateur – sauf que ce n’est pas avec des élastiques. Au lieu de cela, il utilise un certain type de gaz liquide appelé réfrigérant (il y a beaucoup de produits chimiques différents que vous pourriez utiliser ici). Vous pouvez commencer avec le réfrigérant sous forme de gaz et le comprimer jusqu’à ce qu’il devienne liquide. Cette compression permet au réfrigérant de se réchauffer. L’étape suivante consiste à laisser refroidir le réfrigérant comprimé à l’extérieur du réfrigérateur. Maintenant, vous pouvez mettre le réfrigérant à l’intérieur du réfrigérateur et le laisser se dilater à nouveau en gaz, et il se refroidit – beaucoup plus froid que la température ambiante. C’est ainsi que vous gardez vos aliments au froid.
Mais qu’est-ce qui est différent dans le congélateur à -80 degrés pour le stockage des vaccins ? Il s’avère qu’il est pratiquement impossible de faire descendre la température intérieure du congélateur à -80°C avec votre réfrigérant normal. Au lieu de cela, vous avez besoin de DEUX jeux de réfrigérants. C’est un peu comme un congélateur dans un congélateur. Le congélateur extérieur ressemble beaucoup à celui de votre cuisine. Le congélateur intérieur utilise un autre réfrigérant (peut-être de l’alcool isopropylique) qui, lorsqu’il est comprimé, peut refroidir l’intérieur du congélateur normal. Mais le fait d’avoir deux compresseurs rend ces appareils plus chers. Oh, vous voulez voir une photo ?
C’est le congélateur du laboratoire de biochimie de l’université Southeastern Louisiana. Maintenant vous savez à quoi il ressemble.
La glace sèche
Je vous ai dit qu’il y avait quelque chose que vous pourriez trouver à -80°C, et c’est la glace sèche – du dioxyde de carbone solide. Pour fabriquer de la glace sèche, on commence avec du dioxyde de carbone gazeux. Ce gaz est ensuite refroidi et comprimé en dioxyde de carbone liquide. Ensuite, lorsque le dioxyde de carbone liquide est retiré de la pression, il redevient un gaz. Mais cette transition de phase diminue également la température et le rend suffisamment froid pour qu’il gèle à -80°C et devienne un solide.
Mais le dioxyde de carbone solide fait des choses bizarres à la pression atmosphérique (une pression de 1 atm) – lorsqu’il se réchauffe, il passe directement du solide au gaz sans devenir d’abord un liquide. C’est ce qu’on appelle la sublimation. C’est bizarre. Puisqu’il ne se transforme pas en liquide, il n’est pas humide. Oui, c’est de là que vient le nom de « glace sèche ».
Est-ce que H2O peut aussi faire ça ? Ouaip. Nous aimons penser que le point de congélation et de fusion de l’eau se situe à une température donnée – mais ce n’est pas le cas. Cela dépend aussi de la pression. Il est donc utile d’établir un graphique de la température en fonction de la pression pour différents produits chimiques. Nous appelons cela un diagramme de phase. Voici à quoi cela ressemblerait pour H2O.
Il y a beaucoup de choses dans ce diagramme, alors laissez-moi souligner certaines choses importantes. Jetez un coup d’œil à cette ligne horizontale en pointillés. C’est la ligne qui correspond à la pression atmosphérique (c’est la pression avec laquelle nous vivons à la surface de la Terre). Si vous regardez le graphique à gauche, le long de la ligne pointillée, il s’agit d’une substance froide et l’eau est solide (nous l’appelons glace). Au point A, la température est de 0°C et c’est la température d’une transition de phase du solide au liquide. Le point B est à 100°C et c’est la température de la transition de phase du liquide au gaz. Mais qu’en est-il du point C ? C’est ce qu’on appelle le point triple. Si vous réduisez la pression, vous pouvez avoir des phases solide, liquide et gazeuse en même temps. Pour l’eau, cela se produit à une température de 0,1 °C et à une pression de 0,006 atmosphères. C’est plutôt cool – découvrez-le dans cette vidéo.
Vous pouvez voir comment le dioxyde de carbone est différent en regardant le diagramme de phase. Il ressemble à quelque chose comme ceci.
Si vous regardez la ligne en pointillé pour une pression de 1 atmosphère, elle est maintenant en dessous du point triple. Cela signifie qu’un solide va effectuer un changement de phase directement dans un gaz. C’est le cas de la glace sèche. Mais si vous augmentez la pression jusqu’à environ 5 atmosphères, vous POUVEZ faire en sorte que le dioxyde de carbone solide effectue une transition de phase vers la phase liquide. En bonus, je vais vous montrer ce dioxyde de carbone liquide.
Voici comment vous pouvez le faire. Mettez de la glace sèche dans un récipient en plastique qui est scellé aux deux extrémités. Je vais utiliser une paille à boire en plastique transparent. Lorsque la glace sèche se réchauffe, elle se transforme en gaz, comme la glace sèche aime le faire. Cependant, ce gaz carbonique n’a nulle part où aller, ce qui augmente la pression à l’intérieur de la paille. Finalement, la pression devient si élevée que du dioxyde de carbone liquide se forme. Mais finalement, la pression devient trop élevée et la paille explose. Ce n’est pas une grosse explosion – c’est juste une paille. Tenez, regardez ça.
Je trouve ça vraiment cool. Habituellement, lorsque vous avez du dioxyde de carbone liquide, il est dans un réservoir métallique sous pression et vous ne pouvez pas vraiment le voir. En tout cas, je ne l’avais jamais vu avant de faire cette expérience.
Mais qu’en est-il du vaccin Covid-19 ?
Oui, c’est le problème logistique qui se pose à nous en ce moment. Il va être assez difficile d’expédier puis de stocker le vaccin pour qu’il puisse être distribué. Il faudra combiner les congélateurs ultra-froids et le stockage dans la glace sèche. Mais quoi qu’il en soit, il semble que nous ayons vraiment besoin d’un vaccin pour venir à bout de cette pandémie. Comme tout héros, il a besoin d’un coup de pouce qui, dans ce cas, est la réfrigération super froide.
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