V současné době je mimořádně důležité vytvořit kompaktní, ekologickou, energeticky účinnou a vysoce spolehlivou chladničku pracující v rozsahu pokojových teplot. Tento úkol vyplývá z řady závažných nároků na stávající chladicí systémy. Je známo, že při provozu v současnosti používaných chladniček může docházet k únikům pracovních plynů (chladiv), které způsobují tak závažné ekologické problémy, jako je poškozování ozonové vrstvy a globální oteplování. Z řady alternativních technologií, které by mohly být použity v chladicích zařízeních, přitahuje stále větší pozornost výzkumníků na celém světě technologie magnetického chlazení. Intenzivní práce na magnetickém chlazení vedou v mnoha laboratořích a na univerzitách v Evropě, USA, Kanadě, Číně a Rusku.

Magnetická chladnička je zařízení šetrné k životnímu prostředí a umožňuje výrazně snížit spotřebu energie. Posledně jmenovaná okolnost je nesmírně důležitá vzhledem ke skutečně obrovskému množství chladicích jednotek, které člověk používá v různých oborech své činnosti. Technologie magnetického chlazení je založena na schopnosti jakéhokoli magnetického materiálu měnit svou teplotu a entropii pod vlivem magnetického pole. Tato schopnost se projevuje při stlačování nebo rozpínání plynu nebo páry v tradičních chladničkách. Taková změna teploty nebo entropie magnetického materiálu v důsledku změny intenzity magnetického pole se nazývá magnetokalorický efekt (dále jen MCE).
Změna teploty magnetického materiálu je výsledkem přerozdělení vnitřní energie magnetické látky mezi systém magnetických momentů jejích atomů a krystalovou mřížku. Maximální hodnoty MCE dosahují magneticky uspořádané materiály, jako jsou feromagnety, antiferomagnety apod. nacházející se při teplotách magnetických fázových přechodů (teploty magnetického uspořádání – Curieho, Neelova apod.).
Hlavní výhoda zařízení pro magnetické chlazení je spojena s vysokou hustotou teplonosného materiálu – pevného tělesa ve srovnání s hustotou páry nebo plynu. Změna entropie na jednotku objemu je v pevných magnetických materiálech sedmkrát vyšší než v plynu. To umožňuje navrhovat chladiče, které jsou kompaktnější. Samotné magnetické pracovní médium slouží jako obdoba chladiv používaných v tradičních chladicích zařízeních s kombinovaným cyklem. Proces demagnetizace-magnetizace je navíc analogický kompresně-expanzním cyklům. Účinnost každé chladničky je dána především množstvím nevratné práce vykonané během cyklu – u účinných zařízení by měla být co nejnižší. V chladničce s plynovým ohřevem jsou zařízení, která vytvářejí značné množství nevratné práce – regenerátor, kompresor a výměníky tepla.
Velká část nevratné práce se vykoná ve výměnících tepla. Je přímo úměrná adiabatické změně teploty pracovní kapaliny. V plynu je mnohem větší než v magnetickém materiálu. Z tohoto důvodu je nejefektivnější odvod tepla prováděn magnetickým, zejména v regeneračním, chladicím cyklu. Speciální konstrukce výměníku tepla a použití regenerátoru s velkou plochou povrchu umožňují dosáhnout při magnetickém chlazení malé části nevratné práce. Účinnost magnetického regenerativního chladicího cyklu v rozsahu teplot od 4,5 do 300 0K může být 38 až 60 % Carnotova cyklu (přibližně 52% účinnost v rozsahu teplot od 20 do 150 0K a přibližně 85 % v rozsahu teplot od 150 do 300 0K). Přitom ve všech fázích cyklu budou podmínky přenosu tepla nejlepší, jaké jsou dnes známy. Kromě toho magnetické chladničky obsahují malý počet pohyblivých částí, pracují při nízkých frekvencích, což umožňuje minimalizovat opotřebení chladničky a prodloužit její provozní dobu.

Chronologie tohoto problému. Základní principy magnetického chlazení

1. Warburg objevil MCE poměrně dávno, v roce 1881. Pozoroval, jak se pod vlivem magnetického pole vzorek železa zahřívá, resp. ochlazuje. Tento vědec dospěl k závěru, že změna teploty vzorku je důsledkem změny vnitřní energie látky, která má magnetickou strukturu, pod vlivem magnetického pole.

Do praktického využití tohoto jevu však bylo ještě daleko. Langevin (v roce 1905) byl první, kdo prokázal, že změna magnetizace paramagnetu vede k vratné změně teploty vzorku. Samotné magnetické chlazení navrhli téměř 50 let po objevu MCE nezávisle na sobě dva američtí vědci, Peter Debye (v roce 1926) a William Giauque (v roce 1927), jako způsob dosažení teplot pod bodem varu kapalného helia. Jiok a McDougall v roce 1933 jako první předvedli nejjednodušší experiment v oblasti magnetického chlazení. O něco později se to podařilo také de Haasovi (v roce 1933) a Kurtimu (v roce 1934). Při tomto pokusu se podařilo dosáhnout teploty 0,25 0K. Kromě toho bylo jako teplonosná látka použito čerpané kapalné helium o teplotě 1,5 0K.
Tyčinka s magnetickou solí se nacházela ve stavu tepelné rovnováhy s teplonosnou látkou, přičemž v solenoidu bylo silné magnetické pole. Kdykoli se solenoid vybil, magnetická pilulka se tepelně izolovala a její teplota se snížila. Taková technika, nazývaná chlazení adiabatickou demagnetizací, je standardní laboratorní technikou, používanou k dosažení ultranízkých teplot. Kapacita takového chladiče a jeho rozsah pracovních teplot jsou však pro průmyslové aplikace příliš malé. V 60. letech minulého století byly navrženy složitější metody s tepelnou regenerací a cyklickými změnami magnetického pole. V roce 1976 J. Brown (z NASA) předvedl regenerativní magnetickou chladničku, pracující v rozsahu pracovních teplot 50 0K již v rozsahu pokojové teploty. Výkon chladničky a její účinnost však byly v tomto případě stále nízké, protože bylo třeba udržovat teplotní gradient mícháním kapalinového chladiče a doba potřebná k nabíjení a vybíjení magnetu byla příliš velká.
Malá chladicí zařízení s nízkým výkonem byla postavena v 80. a 90. letech v několika výzkumných centrech: Los Alamos National Lab, Navy Lab v Annapolisu, Oak Ridge National Lab, Astronautics (vše USA), Toshiba (Japonsko). V současné době několik výzkumných středisek NASA financuje práce s kompaktními magnetickými chladiči pro kosmické aplikace na principu adiabatických demagnetizačních operací. Astronautics Corporation of America (USA, Wisconsin) a University of Victoria (Kanada) provádějí studie možností magnetických chladniček pro komerční aplikace. Výzkumem materiálů pro pracovní pevné těleso magnetických chladniček z aplikačního hlediska se v současné době intenzivně zabývají „Ames Laboratory“ (Ames, Iowa), „University of Three Rivers“ v Quebecu (Kanada), NIST (Gaithersburg, MD) a společnost „Advanced Magnetic Technologies and Consulting“ (AMT&C).

V roce 1997 předvedla společnost ‚Astronautics Corporation of America‘ poměrně výkonnou (600 W) magnetickou chladničku pracující při teplotě blízké pokojové. Účinnost této chladničky již byla srovnatelná s účinností běžných freonových chladniček. Toto zařízení využívající aktivní magnetický regenerátor (v němž se spojuje funkce tepelného regenerátoru a pracovního média) pracovalo více než 1500 hodin při pokojové teplotě o výkonu 600 wattů. Účinnost byla přibližně 35 % vzhledem ke Carnotovu cyklu při magnetickém poli pěti Tesla. V tomto zařízení byl použit jako supravodivý solenoid a jako pracovní pevné těleso kov vzácných zemin gadolinium (Gd). Čisté gadolinium se v této funkci používalo nejen v kosmonautice, ale také v NASA, námořnictvu a dalších laboratořích, což je dáno jeho magnetickými vlastnostmi, konkrétně – vhodnou Curieho teplotou (asi 293 0K) a přítomností poměrně významného magnetokalorického efektu. Velikost MCE, a tedy účinnost chladicího procesu v magnetické chladničce, je dána vlastnostmi magnetických pracovních těles.
V roce 1997 oznámili v Amesově výzkumném středisku objev čtyř obřích magnetokalorických efektů ve sloučeninách Gd5 (Si2Ge1-X). Teplota magnetického uspořádání těchto materiálů se může měnit v širokém rozsahu od 20 0K do pokojové teploty v důsledku změny poměru křemíku (Si) a germania (Ge). Nejslibnější pro použití jako pracovní pevná tělesa jsou v současné době kovové gadolinium, řada intermetalických sloučenin na bázi prvků vzácných zemin, systém sloučenin křemíku a germanidu Gd5 (Ge-Si)4 a také La (Fe-Si)13 . Použití těchto materiálů umožňuje rozšířit rozsah pracovních teplot chladničky a výrazně zlepšit její ekonomické ukazatele. Je třeba poznamenat, že průkopnické práce na hledání účinných slitin pro magnetické chladničky pracující na pevných tělesech byly provedeny o několik let dříve na katedře fyziky Moskevské univerzity. Nejúplnější výsledky těchto výzkumů jsou uvedeny v doktorské disertační práci vedoucího vědeckého pracovníka fyzikální fakulty Moskevské státní univerzity A. M. Tišina z roku 1994.
V průběhu této práce byly analyzovány četné možné kombinace vzácných zemin a magnetických kovů a dalších materiálů z hlediska hledání optimálních slitin pro realizaci magnetického chlazení v různých teplotních rozmezích. Zejména bylo zjištěno, že mezi materiály s vysokými magnetokalorickými vlastnostmi má největší specifický (tj. na jednotku magnetického pole) magnetokalorický účinek sloučenina Fe49Rh51 (slitina železa a rhodia). Specifický MCE je u této sloučeniny několikanásobně větší než u sloučenin silicidů a germanidů. Tuto slitinu nelze v praxi používat kvůli její vysoké ceně a absenci významných hysterezních efektů v ní. Může však sloužit jako určitý standard, s nímž lze porovnávat magnetokalorické vlastnosti studovaných materiálů. Konečně Science News (v. 161, č. 1, s. 4, 2002) informovaly o vytvoření prvního chladicího přístroje na světě (který je použitelný nejen pro vědecké účely, ale i pro domácnost). Funkční model takové chladničky vyrobily společně Astronautics Corporation of America a Ames Laboratory a poprvé byl předveden na konferenci G8 v Detroitu v květnu 2002. Funkční prototyp navrhované magnetické chladničky pro domácnost pracuje v rozsahu pokojových teplot a jako zdroj pole používá permanentní magnet. Toto zařízení získalo vysoké hodnocení odborníků i amerického ministra energetiky. Odhady ukazují, že používání magnetických chladniček sníží celkovou spotřebu energie v USA o 5 %. Předpokládá se, že magnetické chlazení bude možné využít v různých oblastech lidské činnosti, například v:

• zkapalňovačích vodíku,
• chladicích zařízeních pro vysokorychlostní počítače a zařízeních založených na SQUID,
• klimatizacích pro obytné a průmyslové prostory,
• chladicích systémech pro vozidla,
• domácích a průmyslových chladničkách atd.

Je třeba poznamenat, že práce na magnetických chladničkách již 20 let financuje americké ministerstvo energetiky.

Konstrukce chladničky

Ve vytvořeném prototypu magnetické chladničky je použito konstrukční uspořádání s rotujícími koly. Skládá se z kola obsahujícího segmenty s gadoliniovým práškem a také ze silného permanentního magnetu.

Tato konstrukce je navržena tak, aby se kolo posouvalo pracovní mezerou magnetu, v níž je soustředěno magnetické pole. Když segment s gadoliniem vstoupí do magnetického pole gadolinia, vznikne magnetokalorický efekt – zahřeje se. Toto teplo je odváděno vodou chlazeným výměníkem tepla. Když gadolinium opustí zónu magnetického pole, vznikne magnetokalorický efekt opačného znaménka a materiál se dále ochlazuje, přičemž se ochlazuje výměník tepla s druhým proudem vody, který v něm cirkuluje. Tento proud se ve skutečnosti používá k zmrazení chladicí komory magnetické chladničky. Takové zařízení je kompaktní a pracuje prakticky bezhlučně a bez vibrací, čímž se liší od v současnosti používaných chladniček s paroplynovým cyklem. Poprvé byla tato technologie schválena již v září 2001. V současné době probíhají práce na dalším rozšíření jejích možností: zdokonaluje se technologický postup komerční výroby čistého gadolinia a jeho potřebných sloučenin, což umožní dosáhnout vyšší hodnoty MCE při nižších nákladech. Současně pracovníci Amesovy laboratoře zkonstruovali permanentní magnet, který je schopen vytvořit silné magnetické pole. Nový magnet vytváří pole dvakrát silnější než magnet v předchozí konstrukci magnetické lednice (v roce 2001). To je velmi důležité, protože velikost magnetického pole určuje takové parametry, jako je účinnost a výstupní výkon chladničky. Byly podány patentové přihlášky na přípravu sloučeniny pro pracovní látku Gd5 (Si2Ge2) a na konstrukci permanentního magnetu.

Výhody, nevýhody a aplikace

Všechny magnetické chladničky lze rozdělit do dvou tříd podle typu použitých magnetů:

• systémy využívající supravodivé magnety;
• systémy na permanentních magnetech.

První z nich mají široký rozsah pracovních teplot a relativně vysoký výstupní výkon. Lze je použít například v klimatizačních systémech ve velkých prostorách a pro zařízení na skladování potravin. Chladicí systémy s permanentními magnety mají relativně omezený rozsah teplot (nejvýše 303 °K za cyklus) a v zásadě je lze použít v zařízeních se středním výkonem (do 100 W). Například jako autochladničky nebo přenosné piknikové chladničky jsou. Oba však mají oproti tradičním chladicím systémům s kombinovaným cyklem řadu výhod:

• Nízká nebezpečnost pro životní prostředí. Pracovní těleso je pevné a lze je snadno izolovat od okolního prostředí. Lanthanidové kovy použité jako pracovní tělesa jsou málo toxické a po likvidaci zařízení je lze znovu použít. Teplonosné médium musí mít pouze nízkou viskozitu a dostatečnou tepelnou vodivost, což dobře odpovídá vlastnostem vody, helia nebo vzduchu. Jsou dobře slučitelné s životním prostředím.

• Vysoká účinnost. Magnetokalorické ohřívání a chlazení jsou prakticky vratné termodynamické procesy, na rozdíl od procesu komprese par v pracovním cyklu kombinované chladničky. Teoretické výpočty a experimentální studie ukazují, že magnetické chladicí jednotky se vyznačují vyšší účinností a Zejména v oblasti pokojových teplot jsou magnetické chladničky potenciálně o 20-30 % účinnější, než jsou chladničky pracující v paroplynovém cyklu. Technologie magnetického chlazení může být v budoucnu velmi účinná, což výrazně sníží náklady na tato zařízení.

• Dlouhá životnost. Technologie zahrnuje použití malého počtu pohyblivých částí a několika provozních frekvencí v chladicích zařízeních, což výrazně snižuje jejich opotřebení.

• Flexibilita technologie. V závislosti na účelu je možné použít různá provedení magnetických chladniček.

• Užitečné vlastnosti mrazení. Magnetická technologie umožňuje chladit a mrazit různé látky (vodu, vzduch, chemikálie) s drobnými změnami v každém případě. Naproti tomu účinný chladicí cyklus s kombinovaným cyklem vyžaduje mnoho oddělených stupňů nebo směs různých pracovních chladiv pro stejný postup.

• Rychlý pokrok ve vývoji supravodivosti a zlepšování magnetických vlastností permanentních magnetů jsou. V současné době se celá řada známých komerčních firem úspěšně zabývá zlepšováním vlastností magnetů NdFeB (nejúčinnějších permanentních magnetů) a pracuje na jejich konstrukcích. Spolu se známým pokrokem v oblasti supravodivosti tak lze doufat ve zlepšení kvality magnetických chladičů a jejich současné zlevnění.

Nevýhody magnetického chlazení

.