مجمد بدرجة حرارة منخفضة للغاية

المجمد فائق البرودة (ULT) هو ثلاجة تخزن محتوياتها عند درجة حرارة تتراوح بين -80 و -86 درجة مئوية (-112 إلى -123 درجة فهرنهايت) . ^{[ 1 ]} يُشار إلى المجمد فائق البرودة عادةً باسم "مجمد -80" أو "مجمد سالب 80"، وذلك نسبةً إلى معيار درجة الحرارة الأكثر شيوعًا. ^{[ 2 ]} يتوفر المجمد فائق البرودة بنوعين: رأسي وأفقي.  

على عكس التخزين قصير الأجل للعينات عند درجات حرارة تتراوح بين +4 و -20 درجة مئوية (39 إلى -4 درجة فهرنهايت) باستخدام الثلاجات أو المجمدات العادية، تحتاج العديد من مختبرات البيولوجيا الجزيئية أو علوم الحياة إلى الحفظ بالتبريد طويل الأجل (بما في ذلك بنية " سلسلة التبريد " و/أو " سلسلة التبريد الفائقة ") للعينات البيولوجية مثل الحمض النووي DNA ، والحمض النووي RNA ، والبروتينات ، ومستخلصات الخلايا، أو الكواشف. وللحد من خطر تلف العينات، تتطلب هذه الأنواع من العينات درجات حرارة منخفضة للغاية تتراوح بين -80 و -86 درجة مئوية (-112 إلى -123 درجة فهرنهايت) . غالبًا ما تُخزن خلايا الثدييات في أوعية ديوار تحتوي على النيتروجين السائل عند درجة حرارة -196 درجة مئوية (-320.8 درجة فهرنهايت) . ^{[ 3 ]} يمكن لمجمدات الصدر المبردة أن تصل إلى درجات حرارة تصل إلى -150 درجة مئوية (-238 درجة فهرنهايت) إلى -152 درجة مئوية (-242 درجة فهرنهايت) ^{[ 4 ]} وقد تتضمن نسخة احتياطية من النيتروجين السائل.          

تُخزَّن العينات البيولوجية في مجمدات التبريد الفائق عادةً في أنابيب بوليمرية وأنابيب دقيقة، داخل صناديق تخزين مصنوعة من الورق المقوى أو البلاستيك البوليمري أو مواد أخرى. توضع الأنابيب الدقيقة في صناديق تخزين تحتوي على شبكة من الفواصل تسمح عادةً بتخزين 64 أو 81 أو 100 أنبوب. يمكن لمجمدات التبريد الفائق القياسية تخزين ما يقارب 350 إلى 450 صندوقًا من الأنابيب الدقيقة. ^{[ 5 ]}

تُستخدم المجمدات فائقة البرودة على نطاق واسع في حفظ الأسماك واللحوم. ^{[ 6 ]} وتتطلب صناعة صيد التونة استخدام هذه المجمدات.

تُجهز المجمدات فائقة البرودة عادةً بأنظمة إنذار تقوم بتنبيه الأطراف المعنية عن بُعد في حالة حدوث عطل في المجمد.

يُعرَّف وقت التبريد النهائي بأنه الوقت اللازم لتبريد مُجمِّد التبريد فائق البرودة من درجة حرارة الغرفة إلى درجة الحرارة المُختارة التي تتراوح بين -80 و-86 درجة مئوية (-112 إلى -123 درجة فهرنهايت) . يعتمد هذا الوقت بشكل كبير على نوع العزل، وكفاءة نظام الضاغط، بالإضافة إلى الأرفف المعدنية المُثبَّتة داخل المُجمِّد. في بداية القرن الحادي والعشرين، كانت مُجمِّدات التبريد فائق البرودة قادرة على التبريد في غضون 3 إلى 5 ساعات. ويبلغ وقت التسخين عادةً 0.8 درجة مئوية في الدقيقة.   

نظراً لانخفاض درجة حرارتها، تستهلك مجمدات التبريد الفائق (ULT) كميات كبيرة من الطاقة الكهربائية ^{[ 7 ]} ، مما يجعل تشغيلها مكلفاً. في عام 2010، امتلكت جامعة ستانفورد أكثر من 2000 مجمد من هذا النوع، استهلكت ما يُقدّر بـ 40 مليار وحدة حرارية بريطانية من الطاقة، وكلّفت الجامعة 5.6 مليون دولار سنوياً. تستهلك مجمدات التبريد الفائق الأحدث طاقة أقل ^{[ 8 ]} . ومع ذلك، وجد تقرير شامل نُشر عام 2015 من قِبل مركز مختبرات كفاءة الطاقة (بتمويل من شركات المرافق العامة: باسيفيك غاز آند إلكتريك ، وساوثرن كاليفورنيا إديسون ، وسان دييغو غاز آند إلكتريك، كجزء من برنامج التقنيات الناشئة) أن المختبرات في كاليفورنيا استهلكت ما يُقدّر بـ 800 جيجاواط/ساعة سنوياً، وكانت مجمدات التبريد الفائق هي المساهم الأكبر في هذا الإجمالي ^{[ 9 ] .}

في وقت مبكر من عام 2018 على الأقل، اقترح بعض العلماء أن تقوم المختبرات بضبط المجمدات على درجة حرارة -70  درجة مئوية بدلاً من -80  درجة مئوية لتوفير الطاقة وتقليل استهلاك ضاغط المجمد. ^{[ 10 ] [ 11 ]}

بحسب حجم المُجمّد، وعدد مرات فتحه من قِبل المستخدمين، وعدد العينات، يبدأ استهلاك الطاقة من حوالي 11 كيلوواط/ساعة يوميًا وما فوق. تُقدّر الحكومة الأمريكية استهلاكه بـ 20 كيلوواط/ساعة يوميًا. ^{[ 12 ]} أظهرت دراسة أُجريت في جامعة إدنبرة أن طراز نيو برونزويك U570 HEF يستهلك أقل بقليل من 10 كيلوواط/ساعة يوميًا. ^{[ 13 ]} دون أي بيانات، ادّعت جامعة ميشيغان أن أجهزة التبريد فائقة البرودة "ذات الطرازات القديمة" قد تستهلك "ما يصل إلى 30 كيلوواط/ساعة يوميًا". ^{[ 14 ]} ذكر عرض ترويجي كُتب عام 2023 أن استهلاك الكهرباء يتراوح بين 16 و22 كيلوواط/ساعة يوميًا. ^{[ 15 ]}

لتقليل استهلاك الطاقة، يجب أن يكون العزل عالي الكفاءة قدر الإمكان. كما أن الأبواب الداخلية الإضافية تقلل من فقدان الحرارة عند فتح الباب الرئيسي. وينبغي تقليل تراكم الجليد داخل المجمد فائق البرودة إلى أدنى حد ممكن. تستخدم المجمدات فائقة البرودة الحديثة محركات متغيرة السرعة لكل من الضواغط والمراوح، مما أدى إلى خفض استهلاك الطاقة بنسبة 30% إضافية ليصل إلى 8.5 كيلوواط ساعة/يوم في المتوسط.

تستهلك المجمدات فائقة البرودة التي تستخدم نظام التبريد المتتالي (CR) طاقةً تصل إلى 20 ضعفًا مقارنةً بالثلاجات المنزلية، وكانت تستخدم سوائل غازات الدفيئة للتبريد (عادةً ما يكون هيدروفلوروكربون R-508B ). ^{[ 7 ]} تستخدم المجمدات فائقة البرودة الحديثة مخاليط غازات الهيدروكربون (HC ): عادةً الإيثان والبروبان . ^{[ 16 ] [ 17 ]} طُوّرت هذه التقنية في منتصف التسعينيات، ^{[ 18 ]} وحسّنت الكفاءة بنسبة تصل إلى 30% مقارنةً بالمجمدات التقليدية التي تعمل بغازات مركبات الكلوروفلوروكربون (CFC) أو مركبات الهيدروفلوروكربون (HFC). [ 19 ^{] [ 20 ] بدلاً من} ذلك، قد تستخدم المجمدات فائقة البرودة دورة ستيرلينغ العكسية (مبرد ستيرلينغ) للتبريد. ^{[ 7 ]}

• الثلج الجاف