Iedere week beschrijft Karel Knip in de NRC een bijzonder verschijnsel dat hij heeft onderzocht.
Op 2 januari 2021 schrijft hij:
“Het coronavaccin van Pfizer/Biontech dat nu mondjesmaat onze kant opkomt, wordt opgeslagen en getransporteerd in diep bevroren toestand en mag niet warmer worden dan min 70 graden Celsius.
Waar het vaccin geproduceerd wordt en tijdens de opslag in Oss is diepvrieskoeling aanwezig. Maar als er geen enkele koeling is gaat het nog niet meteen mis, want het coronavaccin wordt tegen opwarming beschermd door een partij droogijs.”
a) Zoek op wat droogijs is.
Droogijs is vast CO2
Een van de bijzondere kenmerken van droogijs is dat het niet de meest bekende volgorde van de faseovergangen van vast naar gas volgt.
b) Noem de meest bekende volgorde van de faseovergangen van vast naar gas.
De normale, meer bekende faseovergang van vast naar gas verloopt via de vloeibare fase. Dus vast naar vloeistof naar gas
In het artikel in de krant lezen we verder:
“Droogijs houdt zijn extreem lage temperatuur door de warmte die eraan onttrokken wordt als het ongehinderd aan de lucht kan ‘verdampen’, een proces dat in dit geval ‘sublimeren’ genoemd wordt omdat er geen smelten aan voorafgaat. De stof waaruit droogijs bestaat ontwijkt rechtstreeks uit het vaste ijs. Zolang een voorraad droogijs vrij kan sublimeren handhaaft ze in zichzelf en haar directe omgeving een temperatuur van min 79 graden Celsius. Zo blijft het vaccin koud als de mechanische koeling uitvalt”.
c) Zie het schema in figuur 1. Noem alle namen van de overgangen.
d) Waar komt de warmte vandaan waardoor het droogijs sublimeert?
De warmte voor het sublimeren wordt onttrokken aan het droogijs zelf en aan de directe omgeving en dat is het vaccin.
In het artikel in de krant wordt een aantal waarden gegeven waarmee je kunt uitrekenen hoeveel dagen de temperatuur in de dozen min 79 graden Celsius kan blijven zonder mechanische koeling van een koelkast. Karel Knip geeft in de krant de volgende waarden:
“Voor de gebruikte Pfizer-dozen geldt dat per m2 buitenoppervlak per uur 170 gram CO2 verloren gaat als het temperatuurverschil met de omgeving 100 graden is. Het oppervlak van de gebruikte doos is 1,22 m2.”
e) Laat zien dat het vaccin 5 dagen op min 79 graden blijft als de mechanische koeling uitvalt of niet aanwezig is.
Bij een kamertemperatuur van 21 graden is het temperatuurverschil 21-(-79) = 100 graden. Dan sublimeert er 170 g per m2 per uur. De dozen hebben een oppervlakte van 1,22 m2 dus per uur sublimeert er 170*1,22 = 207 gram CO2.
25 kg sublimeren duurt dus 25000/207 = 120 uur = 5 dagen.
Bij de faseovergang van vloeistof naar gas is de hoeveelheid warmte die nodig is om 1 kg vloeistof om te zetten naar gasfase gelijk aan de verdampingswarmte. Bij droogijs spreken we van de ‘sublimatiewarmte’ en dat is dat de warmte die nodig is om 1 kg droogijs om te zetten naar de gasfase. Karel Knip heeft de sublimatiewarmte opgezocht en vraagt zich af wat de warmtestroom is tijdens het sublimeren.
“De sublimatiewarmte van droogijs is 571 joule per gram. Zolang de 25 kg droogijs vrij kan sublimeren handhaaft ze in zichzelf en haar directe omgeving een temperatuur van min 79 graden Celsius.
f) Bereken hieruit de warmtestroom in J/s.
Om 25 kg CO2 te sublimeren is 25000*571 J nodig. Dat gebeurt in 5 dagen, dus de gemiddelde warmtestroom is 25000*571/(5*24*3600) = 33 J/s
Bij het sublimeren komt er gasvormig CO2 in de omgeving.
g) Wat stelt dat voor eisen aan de dozen en aan de ruimte waarin de dozen met het vaccin zijn opgeslagen?
De dozen moeten niet 100% gasdicht zijn, omdat het CO2 moet kunnen ontsnappen. Als de dozen 100% dicht zouden zijn, zou de druk in de dozen te hoog worden, waardoor het sublimeren zou kunnen stoppen. Het ontsnapte CO2 verdringt de lucht in de ruimte waarin de dozen zijn opgeslagen. Er moet dus goed worden geventileerd.
Dit principe komt op meer plaatsen voor.
h) Zoek of bedenk nog een paar voorbeelden van het op deze manier handhaven of maken van een lage temperatuur.
LNG-tankschepen die vloeibaar aardgas (min 162 graden) vervoeren, gebruiken hetzelfde principe: het aardgas blijft koud omdat het kan verdampen (‘boil-off’). Ook vloeibaar stikstof in een open vat is een voorbeeld.
