Het is een hoopvol teken. Pfizer heeft aangekondigd dat zijn Covid-19-vaccin voor 90 procent effectief zou kunnen zijn. Dat zou ons echt kunnen helpen om deze verdomde pandemie te overwinnen. Maar er is een addertje onder het gras. Het vaccin is gebaseerd op mRNA (boodschapper-RNA) – dit leest het DNA in de celkern en transporteert de instructies naar het cytoplasma waar de eiwitten worden geproduceerd. Het probleem is dat het mRNA normaal gesproken een kort leven beschoren is. Het gaat een wisselwerking aan met zuurstof of vouwt zich op zichzelf en doet dan zijn werk niet meer. Dus als je het in een vaccin wilt gebruiken, moet je het mRNA langer houdbaar maken. Dat betekent dat je het koud moet houden. Echt koud. De standaard bewaartemperatuur voor dit soort vaccins is -80 graden Celsius. Jazeker. Dus, dat betekent dat we moeten praten over koude dingen.
Hoe koud is -80 graden Celsius?
Misschien bent u niet zo bekend met temperatuureenheden in Celsius, ik begrijp u. Eerlijk gezegd is er niets mis met de Fahrenheit-temperatuureenheid (behalve dat ik nooit meer weet hoe ik hem moet spellen). Het voordeel van de Celsius-eenheid is dat die gemakkelijker te ijken is. De oorspronkelijke methode was om het vriespunt van water te gebruiken als 0°C en het kookpunt van water als 100°C. Later werd de waarde van 1°C echter opnieuw gedefinieerd om te worden bepaald op basis van de constante van Boltzman – een fundamentele constante die een verband geeft tussen de gemiddelde kinetische energie van deeltjes en de temperatuur van een systeem.
Als je twee overeenkomstige temperatuurwaarden kent in zowel °C als °F, kun je een vergelijking opstellen die omrekent van Celsius naar Fahrenheit. Je kunt ook je basis algebraïsche vaardigheden gebruiken om dit te veranderen in een vergelijking die de temperatuur in Fahrenheit neemt en omrekent naar Celsius. Hier zijn die twee vergelijkingen.
Dus, als je er een temperatuur van -80°C in stopt, krijg je een temperatuur van -112°F. Ja, dat is behoorlijk koud. Maar hier is mijn favoriete temperatuur: min 40. Er zijn twee geweldige dingen aan -40. Ten eerste hoef je niet aan te geven of het in Celsius of Fahrenheit is, want -40°C = -40°F (ga je gang en controleer het zelf maar). Het tweede geweldige aan -40 is dat het de temperatuur is op het oppervlak van Hoth (uit Star Wars V: The Empire Strikes Back). OK, misschien is niet iedereen het eens over de temperatuur op Hoth, maar dit is de waarde die gebruikt werd in de Star Wars aflevering van MythBusters, dus ik blijf erbij.
Hoe krijg je iets koud tot -80 graden Celsius?
De eenvoudigste manier om iets koud te krijgen is door het in thermisch contact te brengen met een ander voorwerp dat nog kouder is. Maar je kunt misschien niet iets vinden dat kouder is dan -80°C (hoewel er een mogelijkheid is waar ik zo op in zal gaan). Dat betekent dat je een andere koelmethode moet gebruiken. De meest gebruikte koelmethode is waarschijnlijk dezelfde die je koelkast gebruikt. Je kunt begrijpen hoe dit werkt aan de hand van een eenvoudige demonstratie met een elastiekje, dus ga er maar een halen.
OK, je hebt je elastiekje (hopelijk). Neem het en rek het uit met je handen, en houd het uitgerekt. Raak nu het uitgerekte elastiekje aan op je lip (die erg gevoelig is voor temperatuursveranderingen). Je moet kunnen voelen dat het elastiekje warmer is dan kamertemperatuur. Laat het elastiekje niet ontspannen, maar houd het nog even uitgerekt (minstens 30 seconden). Het zou moeten afkoelen tot kamertemperatuur. Het volgende deel is het beste. Laat het elastiekje eindelijk weer zijn normale lengte aannemen. Raak het weer aan je lip aan en je kunt voelen dat het elastiekje nu koud is.
Dus, dit is wat er gebeurde. Het uitrekken van het elastiekje maakt het warm. Als je het meteen terug laat gaan naar zijn oorspronkelijke lengte, gebeurt er niets interessants. Maar als je het uitgerekte elastiekje laat afkoelen tot kamertemperatuur, daalt de temperatuur nog steeds als het elastiekje weer ontspannen is, maar nu wordt het kouder dan kamertemperatuur.
Dit is precies wat een koelkast doet, maar niet met elastiekjes. In plaats daarvan wordt een vloeibaar gas gebruikt, een koelmiddel (er zijn veel verschillende chemicaliën die je hiervoor kunt gebruiken). Je kunt beginnen met het koelmiddel als een gas en het comprimeren tot het een vloeistof wordt. Door deze compressie wordt het koelmiddel warm. De volgende stap is om het samengeperste koelmiddel aan de buitenkant van de koelkast te laten afkoelen. Nu kun je het koelmiddel in de koelkast plaatsen en het weer laten uitzetten tot een gas, en het koelt af – veel kouder dan kamertemperatuur. Zo houd je je voedsel koud.
Maar wat is er anders aan de -80 graden vriezer voor de opslag van vaccins? Het blijkt vrijwel onmogelijk te zijn om de binnentemperatuur van de vriezer tot -80°C te verlagen met een normaal koelmiddel. In plaats daarvan heb je twee sets koelmiddelen nodig. Het is een soort vriezer binnenin een vriezer. De buitenste vriezer is zoals die in uw keuken. De binnenste vriezer gebruikt een ander koelmiddel (misschien isopropylalcohol), zodat het, wanneer het wordt samengeperst, kan afkoelen in de normale vriezer. Maar het hebben van twee compressoren is wat deze duurder maakt. Oh, wil je een foto zien?
Dit is de vriezer in het biochemielab aan de Southeastern Louisiana University. Nu weet je hoe het eruitziet.
Droogijs
Ik zei toch dat er iets was dat je misschien zou kunnen vinden bij -80°C, en dat is droogijs – vast kooldioxide. Om droogijs te maken, begin je met kooldioxidegas. Dit kooldioxidegas wordt dan afgekoeld en samengeperst tot vloeibaar kooldioxide. Wanneer het vloeibare kooldioxide vervolgens van de druk wordt ontdaan, verandert het weer in een gas. Maar door deze faseovergang daalt ook de temperatuur en wordt het koud genoeg om bij -80°C te bevriezen en een vaste stof te worden.
Maar vast kooldioxide doet rare dingen bij atmosferische druk (een druk van 1 atm)-wanneer het opwarmt, gaat het rechtstreeks van een vaste stof naar een gas zonder eerst vloeibaar te worden. Dit wordt sublimatie genoemd. Ik bedoel, dat is vreemd. Omdat het niet in een vloeistof verandert, is het niet nat. Ja, dat is waar de naam “droog ijs” vandaan komt.
Kan H2O dit ook? Yup. We denken graag dat het vries- en smeltpunt van water bij een bepaalde temperatuur ligt – maar dat is niet zo. Het hangt ook af van de druk. Dus helpt het om een diagram te maken van temperatuur versus druk voor verschillende chemicaliën. Dit noemen we een fasediagram. Hier zie je hoe dat er voor H2O uitziet.
Er staat heel wat in dat diagram, dus laat me een paar belangrijke dingen aanwijzen. Kijk eens naar die horizontale stippellijn. Dat is de lijn die overeenkomt met de atmosferische druk (dat is de druk waarmee we leven op het oppervlak van de aarde). Als je naar de grafiek aan de linkerkant langs de stippellijn kijkt, zou dit koud spul zijn en zou het water een vaste stof zijn (we noemen dat ijs). In punt A is de temperatuur 0°C en dat is de temperatuur van een faseovergang van vast naar vloeibaar. Punt B ligt bij 100°C en dat is de faseovergang van vloeibaar naar gas. Maar hoe zit het met punt C? Dat heet het drievoudige punt. Als je de druk verlaagt, kun je tegelijkertijd vaste, vloeibare en gasvormige fasen hebben. Voor water is dit bij een temperatuur van 0,1°C en een druk van 0,006 atmosfeer. Het is behoorlijk cool – bekijk het in deze video.
Je kunt zien hoe verschillend koolstofdioxide is door naar het fasediagram te kijken. Het ziet er ongeveer zo uit.
Als je naar de stippellijn voor een druk van 1 atmosfeer kijkt, zie je dat deze nu onder het tripelpunt ligt. Dat betekent dat een vaste stof meteen van fase verandert in een gas. Dat is het droogijs ding. Maar als je de druk opvoert tot ongeveer 5 atmosfeer, KAN je vast kooldioxide een faseovergang laten maken naar de vloeibare fase. Als bonus laat ik u dit vloeibare kooldioxide zien.
Hier ziet u hoe u het kunt doen. Doe droog ijs in een plastic container die aan beide kanten is afgesloten. Ik ga een doorzichtig plastic rietje gebruiken. Als het droogijs opwarmt, verandert het in een gas, zoals droogijs graag doet. Dit kooldioxidegas kan echter nergens heen, waardoor de druk in het rietje toeneemt. Uiteindelijk wordt de druk zo hoog dat er vloeibaar kooldioxide ontstaat. Maar uiteindelijk wordt de druk te hoog en ontploft het rietje. Het is geen grote explosie, het is gewoon een rietje. Hier, kijk maar.
Ik vind dit gewoon heel cool. Normaal gesproken zit vloeibare kooldioxide in een metalen druktank en kun je het niet echt zien. Ik had het in ieder geval nog nooit gezien voordat ik dit experiment deed.
Maar hoe zit het met het Covid-19-vaccin?
Ja, dit is het logistieke probleem waar we nu mee te maken hebben. Het zal heel moeilijk worden om het vaccin te verschepen en op te slaan, zodat het kan worden gedistribueerd. Dit zal een combinatie vergen van ultra koude vriezers en opslag in droog ijs. Maar hoe dan ook, het lijkt erop dat we echt een vaccin nodig hebben om deze pandemie te overwinnen. Zoals elke held heeft het een hulpje nodig, en in dit geval is dat superkoude koeling.
More Great WIRED Stories
- 📩 Wil je het laatste nieuws over technologie, wetenschap en meer? Meld je aan voor onze nieuwsbrieven!
- Het vreemde en verdraaide verhaal van hydroxychloroquine
- Hoe te ontsnappen aan een zinkend schip (zoals, zeg maar, de Titanic)
- De toekomst van McDonald’s ligt in de drive-thru lane
- Waarom het uitmaakt welke oplader je voor je telefoon gebruikt
- De laatste resultaten van het Covid-vaccin, ontcijferd
- 🎮 WIRED Games: Krijg de nieuwste tips, reviews en meer
- 💻 Verbeter je werkgame met de favoriete laptops, toetsenborden, typealternatieven en noise-canceling koptelefoons van ons Gear-team