home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ NetNews Usenet Archive 1992 #16 / NN_1992_16.iso / spool / sci / cryonics / 425 < prev    next >
Encoding:
Text File  |  1992-07-21  |  18.7 KB  |  376 lines

  1. Newsgroups: sci.cryonics
  2. Path: sparky!uunet!cis.ohio-state.edu!zaphod.mps.ohio-state.edu!mips!pacbell.com!att!cbnews!cbnewsl!kqb
  3. From: kqb@cbnewsl.cb.att.com (kevin.q.brown)
  4. Subject:  How Cold Is Cold Enough?
  5. Organization: AT&T Bell Laboratories
  6. Date: Tue, 21 Jul 1992 23:33:54 GMT
  7. Message-ID: <1992Jul21.233354.14113@cbnewsl.cb.att.com>
  8. Lines: 366
  9.  
  10. > From: alcor@cup.portal.com
  11. > Message-Subject: How Cold Is Cold Enough?
  12. > Date: Mon, 20 Jul 92 00:35:35 PDT
  13.  
  14. How Cold Is Cold Enough?
  15. by Hugh Hixon
  16.  
  17. Reprinted from *Cryonics* magazine, January, 1985.
  18.  
  19.  
  20.      Why don't you store people: (pick one)
  21.  
  22.             In your freezer at home?
  23.  
  24.             In a low temperature laboratory freezer?
  25.  
  26.             In the permafrost in Alaska?
  27.  
  28.             On the Greenland icecap?
  29.  
  30.             On the Antarctic icecap?
  31.  
  32.             In Siberia?
  33.  
  34.             Packed in dry ice?
  35.  
  36.             Other?
  37.  
  38.      After all, it's really cold there, and all this fooling around with 
  39. liquid nitrogen seems like a lot of unnecessary hassle.  And besides, it's 
  40. (free/costs less)(circle appropriate words).
  41.  
  42.                      -various people, some of them ostensibly 
  43.                         with scientific educations.
  44.  
  45.  
  46.      Misapprehensions concerning why we use liquid nitrogen for cryonic 
  47. storage fall into roughly three classes: 1) Economic considerations; 2) 
  48. Legitimate bafflement caused by the use of a simple arithmetic temperature 
  49. scale where a more complex scale is much more appropriate;  3) Disnumeria, 
  50. or disability to deal with numbers.  This may range from reluctance to use 
  51. a calculator to inability to count above five, because you need the other 
  52. hand for counting.  The temperature scale for people so afflicted goes 
  53. something like: -very hot-hot-warm-comfortable-cool-cold-very cold-
  54. freezing.  I will attempt to answer 2) and 3) together, with an 
  55. explanation and examples, and then treat the economic aspect in a short 
  56. afterword.
  57.  
  58.      For a suspension patient, the object of cryonics is to arrest time.  
  59. It is never possible to do this completely, but as we will see, our best 
  60. is remarkably good.  We cannot affect nuclear processes, such as 
  61. radioactive decay, but for the period of time we are concerned with, 
  62. radioactivity and its attendant problems are largely irrelevant.  Our 
  63. primary focus is on chemical processes.  The human body is a dynamic 
  64. structure, with creation and destruction of the chemical compounds 
  65. essential to life going on in it simultaneously and continually.  A good 
  66. analogy would be a powered airplane, lifted by the efforts of its engines 
  67. and pulled down by gravity.  When the engine quits, sooner or later you're 
  68. going to get to the bottom.  When we die, only the destructive functions 
  69. remain.  Fortunately, these are all chemical processes, and proceed in 
  70. such a fashion that they are well described by the Arrhenius equation.  
  71.  
  72. STOP!!!  DO NOT GO INTO SHOCK OR ADVANCE THE PAGE!!!  The elements of the 
  73. Arrhenius equation have familiar counterparts that you see every day, and 
  74. while it cranks out numbers beyond the comprehension of even your 
  75. Congressperson, beyond a certain point they are either so large or so 
  76. small that we can safely ignore them.
  77.  
  78.      To continue.  The Arrhenius equation takes the form:
  79.  
  80.                k = A exp(-E/RT)
  81.  
  82.      where
  83.                     k is the rate of a given chemical reaction
  84.                     A is a fudge factor to make the numbers come out right
  85.                   exp is the symbol for a particular arithmetic operation, 
  86.                        like +, -, X, or /.
  87.                     E is the Energy of Activation of the reaction, like the
  88.                        push it takes to start a car when the battery
  89.                        is dead.  Small for VW's, large for Cadillacs.
  90.                     R is the Ideal Gas Constant.  Another fudge factor, but a 
  91.                        well defined one, like a dollar bill.  Here, its value
  92.                        is 1.9872 calories/degree-mole.
  93.                     T is the Absolute Temperature in degrees Kelvin (K).  
  94.                        Which is just the Celsius (centigrade) temperature 
  95.                        + 273.16.  I should remark that the Absolute 
  96.                        Temperature Scale is a rather arbitrary definition 
  97.                        of a real property, and that R is used to make things 
  98.                        come out right.
  99.                        
  100.      To summarize, E is what we're stuck with for the reaction, and k is 
  101. the reaction rate at any given T(emperature).
  102.  
  103.      By itself, k isn't very useful so I will relate it to itself at some 
  104. other temperature.   For the  purposes of this  article, I will pick two 
  105. temperatures, 77.36*K and  37*C.  These are, of course, liquid nitrogen 
  106. temperature and normal body temperature, respectively.
  107.  
  108.      Dividing the rate at some given temperature by the rate at liquid 
  109. nitrogen temperature will give ratios which will have some meaning.  At 
  110. the given temperature, chemical reactions will occur so many times faster 
  111. or slower than they would at liquid nitrogen temperature.  I will then 
  112. invert the process and divide the rate ratio at 37*C by the rate ratio at 
  113. the other temperatures, and say that if the reaction proceeds so far in 
  114. one second at 37*C, then it will take so many seconds, minutes, days, or 
  115. years to proceed as far at some lower temperature.
  116.  
  117.      Now, if you'll just close your eyes while I use this page to perform 
  118. a simple algebraic manipulation:
  119.  
  120.                               A exp(-E/RT)
  121.           k[T]/k[77.36*K] = ----------------------
  122.                               A exp(-E/R(77.36*K))
  123.  
  124.  
  125.      A is the same in both cases and cancels itself out.  The rest of the 
  126. right side of the equation also contains several identical terms (E and 
  127. R), and I will simplify it by rearranging,
  128.  
  129.           k[T]/k[77.36*K] = exp(-E/R(1/T - 1/(77.36*K)))
  130.  
  131.      Now.  R is a constant and we will not worry ourselves more about it.  
  132. E we will select later, and give reasons for doing so.  The rest of the 
  133. equation, we will examine to understand its properties better.
  134.  
  135.      "exp" is the operation for an exponential function.  A familiar 
  136. example of this is to take a number and add zeros to it, thus:
  137.  
  138.           5  50  500  5,000  50,000  500,000  5,000,000  50,000,000  etc.
  139.  
  140. this is called exponentiating 10.  With the "exp" operation a similar 
  141. thing occurs, but the number is not 10, but 2.17828..., a number with 
  142. useful mathematical properties, but not of interest to us otherwise.
  143.  
  144.      The other important part of the equation is:
  145.  
  146.                     1           1
  147.                   -----  -  ----------
  148.                     T       (77.36*K)
  149.  
  150.      where
  151.  
  152.                     1
  153.               -------------  =  0.0129265..
  154.                 (77.36*K)
  155.  
  156.      1/T is called a reciprocal function, and its particular property is 
  157. that when T is larger than 1, 1/T is less than 1, and the larger T gets, 
  158. the more slowly 1/T gets small.  It does not, however, ever become zero.
  159.  
  160.      Thus, the behavior for
  161.  
  162.                     1/T - 0.0129265...
  163.  
  164.      is that at high temperatures, it approaches the value -0.0129265.. 
  165. closely, but at temperatures much below 77.36*K, it get larger fairly 
  166. rapidly, and then extremely rapidly.
  167.  
  168.      Putting the equation back together again, we can predict that far 
  169. above 77.36*K, say at 37*C, the rate ratio will change relatively slowly, 
  170. but that as the temperature drops, the rate ratio will change increasingly 
  171. rapidly.  That is,  we will see that the change from 0*C to 20*C is about 
  172. 2.4,  the change from -100*C to -80*C is about 8.6, and the change from 
  173. -200*C to -180*C (around liquid nitrogen temperature) is about 31,000.  
  174. >From -240*C to -220*C, the change is a factor of 227,434,000,000,000,000.  
  175. As I mentioned at the beginning of this explanation, the temperature scale 
  176. that we normally use can be very misleading.
  177.           
  178.      Now.  Somewhere in the distant past, I was actually taught to do this 
  179. kind of calculation with pencil, paper, a slide rule, and a book of 
  180. tables.  But I have a computer now, and I'm going to give it a break from 
  181. word processing and let it go chase numbers.  Some of them were bigger 
  182. than it was.
  183.  
  184.      One last question remains before I turn the computer loose.  What 
  185. should my value for E, the *Energy of Activation* of the reaction be, or 
  186. rather, since each chemical reaction has its own E, what reaction should I 
  187. choose?
  188.  
  189.      I am going to be pessimistic, and choose the fastest known biological 
  190. reaction, catalase.  I'm not going to get into detail, but the function of 
  191. the enzyme catalase is protective.  Some of the chemical reactions that 
  192. your body must use have extraordinarily poisonous by-products, and the 
  193. function of catalase is to destroy one of the worst of them.  The value 
  194. for its E is 7,000 calories per mole-degree Kelvin.  It is sufficiently 
  195. fast that when it is studied, the work is often done at about dry ice 
  196. temperature.  My friend Mike Darwin remarks that he once did this in a 
  197. crude fashion and that even at dry ice temperature things get rather busy.  
  198. Another reason to use it is that it's one of the few I happen to have.  
  199. E's are not normally tabulated.
  200.  
  201. ------------------------------------------------------------------------------
  202. Degrees  Degrees                             Rate relative      Time to equal
  203. Celsius  Kelvin   Remarks    1/T   Exponent  to LN2 (77.36*K)   1 sec. at 37*C
  204. ------------------------------------------------------------------------------
  205.  37       310.16  Body temp. 0.0322 34.1173  776,682,000,000,000   1 second
  206.  
  207.  20       293.16           0.003411 33.5817  360,555,000,000,000   2.154 sec
  208.  
  209.   0       273.16  Water    0.003660 32.6389  149,588,000,000,000   5.192 sec
  210.                   freezes
  211.  
  212. -20       253.16           0.003950 31.6201  54,007,200,000,000   14.381 sec
  213.  
  214. -40       233.16           0.004289 30.4266  16,371,100,000,000   47.439 sec
  215.  
  216. -60       213.16           0.004468 29.0091  3,967,220,000,000    3.263 min
  217.  
  218. -65       208.16  Limit,   0.004804 28.6122  2,667,460,000,000    4.853 min
  219.                   simple mechanical freezers
  220.  
  221. -79.5     193.66  Dry ice  0.005164 27.3451  751,335,000,000     17.229 min
  222.  
  223. -100      173.16           0.005775 25.1917  87,222,100,000     2.474 hours
  224.  
  225. -120      153.16           0.006529 22.5353  6,123,060,000      1.468 days
  226.  
  227. -128      145.16  CF4      0.006889 21.2678  1,723,820,000      5.213 days
  228.                   Lowest boiling Freon
  229.  
  230. -140      133.16           0.007510 19.0810  193,534,000       46.448 days
  231.  
  232. -160      113.16           0.008837 14.4056  1,804,070         13.652 years
  233.  
  234. -164      109.16  Methane  0.009169 13.2649  576,591           42.714 years
  235.                   boils
  236.  
  237. -180      93.16            0.010734  7.7227  2,259             10.9 thousand
  238.                                                                       years
  239.  
  240. -185.7    87.46   Argon    0.011434  5.2584  192              128.16 thousand
  241.                   boils                                               years
  242.  
  243. -195.8    77.36   Liquid   0.012926  0.0     1                24.628 million
  244.                   nitrogen                                            years
  245.  
  246. -200      73.16            0.013669 -2.6141  0.07324         336.285 million
  247.                                                                       years
  248.  
  249. -220      53.16            0.018811 -20.728  0.00000000099   24760.5 trillion
  250.                                                                       years
  251.  
  252. -240      33.16            0.030157 -60.694  0.<26 zeros>44 5,390,000,000,000,000,000
  253.                                                               trillion years
  254.  
  255. -252.8    20.36   Liquid   0.049116 -127.48  0.<54 zeros>22   Long enough
  256.                   hydrogen
  257.  
  258. -260      13.16            0.075988 -222.14  0.<95 zeros>29   Even longer
  259.  
  260. -268.9    4.26    Liquid   0.234741 -781.35  0.<338 zeros>19  Don't worry
  261.                   helium                                       about it
  262. -----------------------------------------------------------------------------
  263.  
  264.      I had never specifically done this calculation before, and I confess 
  265. that I was a bit startled by the size of some of the numbers.  Enough to 
  266. check my procedure fairly carefully.  I am reasonably confident of the 
  267. picture that they show.  
  268.  
  269.      The first thing to notice about the table is that somewhere slightly 
  270. below -240*C, the computer gave up.  I *did* say that the equation goes 
  271. rather fast at low temperatures.  The last three numbers in the "Rate 
  272. relative... " column I did by hand.  You can see what the computer was 
  273. attempting to do in the "exponent" column, trying to perform the "exp" 
  274. operation.  As noted, the relative rate at liquid helium temperature would 
  275. be about 0.0.... (eight and a quarter lines of zeros)....19.  The next 
  276. thing to notice is that a reaction that would take one second at body 
  277. temperature takes 24,000,000 years at liquid nitrogen temperature.  This 
  278. is clearly a case of extreme overkill, and seems to support advocates of 
  279. storage at higher temperatures.
  280.  
  281.      However, note how fast things *change* as the temperature drops closer 
  282. to 77*K.  At dry ice temperature, "only" 115 degrees higher, 100 years is 
  283. about equal to 40 days dead on the floor.  Clearly unacceptable.
  284.  
  285.      So what is acceptable?  Here is my opinion.  People have fully 
  286. recovered after being dead on the floor for one hour, when the proper 
  287. medical procedure was followed.  [Note: This was based on some work by Dr. 
  288. Blaine White, of Detroit, that was reported in the January 18, 1982 issue 
  289. of *Medical World News*.  It was not subsequently reproduced.  However, 
  290. the current record for drowning in ice water with subsequent resuscitation 
  291. is now over one hour. -HH (1992)]  There are reasonable arguments to 
  292. support the idea that brain deterioration is not significant until 
  293. somewhere in the range of 12 to 24 hours, although changes in other organs 
  294. of the body probably make revival impossible.  Say 12 hours at 37*C is a 
  295. limit.  How long can we have to expect to store suspension patients before 
  296. they can be revived?  Again I guess.  Biochemistry is advancing very fast 
  297. now, but I do not see reanimation as possible in less than 25 years, with 
  298. 40-50 years being very likely.  If we cannot be reanimated in 100 years, 
  299. then our civilization has somehow died, by bang or whimper, and probably 
  300. neither liquid nitrogen, nor dry ice, nor even refrigeration may be 
  301. available, and our plans and these calculations become irrelevant.  Let us 
  302. set a maximum storage period of 100 years.
  303.  
  304.      Thus: In 100 years there are about 876,600 hours.  In 12 hours, there 
  305. are 43,200 seconds.  The temperature must be low enough that each 20 hours 
  306. is equal to one second at 37*C. (The ratio is about 73,000 to 1).  From 
  307. the table, the storage temperature should be no higher than -115*C.  Add 
  308. to this additional burdens, all eating into your 12 hours: time between 
  309. deanimation and discovery; time to get the transport team on location; 
  310. transport time; time for perfusion; time to cool to the storage 
  311. temperature. -115*C is for when things go *right*.
  312.  
  313.      There is one bright spot.  Below -100*C, the water in biological 
  314. systems is finally all frozen, and molecules can't move to react.  We use 
  315. cryoprotectants that have the effect of preventing freezing, but somewhere 
  316. around -135*C they all have glass transition points, becoming so viscous 
  317. that molecules can't move and undergo chemical change.  While the table 
  318. indicates that staying below -150*C is safe from a rate of reaction 
  319. standpoint, in fact any temperature below -130*C to -135*C is probably 
  320. safe due to elimination of translational molecular movement as a result of 
  321. vitrification.
  322.  
  323.      Okay, you say, why not use a mechanical system to hold a temperature 
  324. of -135*C?  First problem: They don't *hold* a temperature.  They cycle 
  325. between a switch-on temperature and a switch-off temperature.  This causes 
  326. expansion and contraction, and mechanical stresses.  Cracking.  We don't 
  327. know what is acceptable yet.  This problem can probably be eliminated by 
  328. the application of sufficient money.  Second problem:  If the power goes, 
  329. you start to warm up.  Immediately.  Emergency generator?  Sure, but 
  330. you'll need at least 8 kilowatts, and it has to reliably self-start within 
  331. minutes, unattended.  Expensive.  Third problem: Have you priced a 
  332. mechanical system?  $20,000 up front, and then you start paying the 
  333. electric bill.  Small units like this are rather inefficient so the 
  334. electric bill is *not* a minor consideration.  Fourth problem:  Eventually, 
  335. the system is going to die on you.  Next year.  Next month.  Next week.  
  336. Tomorrow.  Read the warranty.  It doesn't say a thing about a loaner 
  337. within five minutes.  Buy another one for backup.  You may get a deal for 
  338. buying two at once.
  339.  
  340.      How about using some other compound with a boiling point above that 
  341. of nitrogen?  With careful examination of the HANDBOOK OF CHEMISTRY AND 
  342. PHYSICS I came up with 30 compounds with boiling points below -80*C.  When 
  343. you eliminate the ones that boil above -115*C, the mildly poisonous ones, 
  344. the very poisonous ones, the corrosive ones, the oxidizers, the 
  345. explosively flammable ones and the very expensive ones, you're left with 
  346. nitrogen and the rather expensive ones.  To retain the rather expensive 
  347. ones, you either need a mechanical system, with all the problems mentioned 
  348. before except that you are much more tolerant to power-outs and 
  349. breakdowns, or you use a liquid nitrogen condenser.  If you use a 
  350. condenser, you may as well use liquid nitrogen directly and save the cost 
  351. of the special gas and the condenser system.  
  352.  
  353.      How about moving to the arctic, and using the low temperatures there 
  354. to assist the refrigeration?  This is a potentially good idea, but there 
  355. are severe problems of cost and logistics.  It's nice of you to volunteer 
  356. to go up there, though.
  357.  
  358.      THAT'S why we use liquid nitrogen.
  359.  
  360.      As a footnote to all the above arguments, it is worth noting that 
  361. Alcor (in Riverside, CA) is in an unusually favorable position with 
  362. respect to liquid nitrogen.  Los Angeles is a major industrial center, and 
  363. liquid nitrogen is a major industrial chemical, particularly  in the 
  364. aerospace industry.  As a result, there are at least two major liquid 
  365. nitrogen plants in the LA area; one out at Fontana, about 30 miles 
  366. northeast of us, and one on the Long Beach Harbor area, about 30 miles to 
  367. the southwest.  Each plant is several acres in size, and as efficient as 
  368. only a plant that size can be.  Our delivered cost for liquid nitrogen is 
  369. about $0.31/liter.  A short calculation will show that at that price, you 
  370. can get a *lot* of years of liquid nitrogen for just the buy-in price of the 
  371. schemes mentioned above.  This does not mean that we will always use LN2, 
  372. however.  If our further studies on the cracking problems we have reported 
  373. here previously (CRYONICS, September 1984), we will certainly have to 
  374. consider storage temperatures above 77*K.  As I have indicated though, the 
  375. economic penalties may be severe.
  376.