Der Behälter, in dem eine kryokonservierte Person ein Jahrhundert lang aufbewahrt wird, ist vom Prinzip her dasselbe wie die Thermoskanne, die deinen Kaffee warm hält. Er ist nur viel größer und auf das andere Ende der Temperaturskala ausgelegt. Das ist keine niedliche Vereinfachung, sondern der Schlüssel dazu, warum die Langzeitlagerung so zuverlässig ist. Ein Gefrierschrank hält Dinge kalt, indem er ununterbrochen läuft, und fällt in dem Moment aus, in dem der Strom ausfällt. Ein Dewar-Gefäß hält Dinge kalt, indem es fast gar nichts tut, und genau dieser Unterschied ist der Grund dafür, dass die Kryonik-Lagerung nicht vom Stromnetz abhängig ist.
Es lohnt sich also, genau zu verstehen, wie eine Thermoskanne Wärme abhält und wie sich diese einfache physikalische Prinzipien auf einen drei Meter hohen Stahlbehälter übertragen lassen, in dem vier Menschen bei -196 °C Platz finden.
Eine Thermoskanne bekämpft die Hitze auf drei Arten
Kryogene Dewar-Behälter sind Vakuumbehälter zur Lagerung und zum Transport von Kryogenen, in unserem Fall flüssigem Stickstoff. Sie sind nach Sir James Dewar benannt, dem britischen Chemiker und Physiker, der 1892 die Vakuumflasche, den „Dewar-Kolben“ oder die Thermoskanne, erfand. Überleg mal, was eine gute Thermoskanne eigentlich leistet: Sie hält ein Getränk stundenlang in der Sonne kalt oder an einem eiskalten Tag heiß – ganz ohne Strom. Der Trick dabei ist, dass sie alle drei Arten der Wärmeübertragung unterbindet.
Der Aufbau ist nicht kompliziert. Ein Behälter hat zwei Wände, zwischen denen die Luft abgepumpt wird, um einen Vakuumspalt zu schaffen, einen dichten Verschluss und eine reflektierende Schicht auf den Oberflächen, die diesem Spalt zugewandt sind. Diese drei Elemente zusammen unterbinden die Wärmeübertragung. Der Vakuumspalt blockiert die Wärmeleitung: Im Spalt befinden sich fast keine Moleküle, die Wärme weiterleiten könnten. Der dichte Verschluss verhindert die Konvektion, da keine Luft hinein- oder hinausströmen kann. Die reflektierende Schicht wirkt der Strahlung entgegen, indem sie die Wärme zurückwirft, anstatt sie zu absorbieren. Ein kryogener Dewar ist technisch gesehen dasselbe Gerät, nur speziell für Flüssigkeiten bei extrem niedrigen Temperaturen ausgelegt und viel größer gebaut – vor allem, wenn der Inhalt ein Mensch statt eines Getränks ist. Bei dieser Größe wird aus der einzelnen reflektierenden Schicht eine ganze Reihe. Große kryogene Behälter sind im Vakuumspalt mit einer mehrschichtigen Isolierung ausgekleidet. Das bedeutet Dutzende abwechselnder Schichten aus reflektierender Folie und nichtleitendem Abstandhalter. Jede Schicht reflektiert ein bisschen mehr der Strahlungswärme zurück dorthin, woher sie kam.
Von Zellproben bis hin zu ganzen Menschen
Dewars gibt es in vielen Formen und Größen, je nachdem, was sie enthalten. In den kleineren werden kryokonservierte Zellkulturen, Gewebe, Sperma und Embryonen aufbewahrt – allesamt können später wieder aufgewärmt und erfolgreich verwendet werden. Das erinnert daran, dass die „Suspended-and-Returned“-Biologie Routine ist und keine Spekulation – genau wie die Biostase selbst. Entsprechend konstruierte Dewars beherbergen auch kryokonservierte Patienten, entweder den ganzen Körper oder, bei Neuropatienten, nur das Gehirn.
Anbieter wie Tomorrow.bio verwenden Tomorrow.bio Dewars aus Edelstahl, die auch über lange Zeiträume hinweg beständig sind und in der Langzeitlagerstätte gelagert und überwacht werden. Die gängigsten Ganzkörper-Dewars sind etwa 3 Meter hoch und 1 Meter breit und bieten Platz für bis zu 4 Ganzkörperpatienten. Neuropatienten werden normalerweise in einer speziellen Säule in der Mitte des Dewars untergebracht.
Warum muss Stickstoff nachgefüllt werden?
Wie jeder weiß, der eine Thermoskanne hat, wird der Kaffee irgendwann doch kalt. Eine hochwertige Thermoskanne verzögert das zwar, aber am Ende gewinnt die Wärme immer. Bei einem Dewar-Gefäß ist das nicht anders, selbst mit fortschrittlicher Isolierung, und der Hauptgrund dafür ist der Deckel. Ein perfekt verschlossenes Gefäß würde zwar besser isolieren, aber man könnte niemals Patienten hinein- und herausbringen – daher ist der Deckel ein bewusster Kompromiss zwischen Isolierung und Zugänglichkeit.
Flüssigstickstoff liegt nur bei oder unter -196 °C in flüssiger Form vor; bei höheren Temperaturen verdampft er und verflüchtigt sich. Daher erwärmt sich ein kleiner Teil des Stickstoffs in einem Dewar langsam, verdampft und wandelt sich in Gas um. Der Behälter muss dieses Gas entweichen lassen. Andernfalls würde sich der Druck so weit aufbauen, bis er platzt – ein Ergebnis, das wir unbedingt vermeiden wollen. Die Kehrseite des Verdampfens ist das Nachfüllen. Jeder Dewar, in dem biologisches Material aufbewahrt wird, muss regelmäßig aufgefüllt werden. Das kommt zwar nicht oft vor, ist aber ein echter wiederkehrender Kostenfaktor bei einem Prozess, der auf eine sehr lange Laufzeit ausgelegt ist. In der Praxis füllen die Betreiber der Anlagen kryogene Dewars etwa einmal pro Woche nach, meist eher als Sicherheitsmaßnahme als weil der Stickstoffpegel tatsächlich so niedrig wäre. Selbst mit diesem Wartungsaufwand bleibt flüssiger Stickstoff heute die praktischste, günstigste und umweltfreundlichste Art, Patienten zu lagern.
Warum Patienten mit dem Kopf nach unten gelagert werden
Ein Detail wirkt makaber, bis man die Logik dahinter erkennt: Die Patienten werden kopfüber gelagert, mit dem Kopf nach unten. Mit der Zeit verdampft zwangsläufig ein Teil des Stickstoffs, sodass der Flüssigkeitsstand sinken kann. Der Teil des Patienten, den man am wenigsten freilegen möchte, ist das Gehirn. Nach heutigem Wissensstand ist alles, was einen Menschen zu dem macht, was er ist, in seiner Struktur kodiert. Die Lagerung des Patienten mit dem Kopf nach unten sorgt dafür, dass das Gehirn am Boden des Dewars bleibt – dem letzten Ort, der von einem Verlust an flüssigem Stickstoff betroffen wäre, selbst unter den extremsten und unvorhersehbarsten Umständen. Es ist eine einfache geometrische Absicherung für das wichtigste Gewebe, das es gibt.
Ein Kryonik-Dewar ist eine riesige Thermoskanne, die eine Person ganz ohne Strom schützt – und genau deshalb funktioniert er auch dann noch, wenn alles, was Strom braucht, bereits ausgefallen ist.