Det er yderst relevant at skabe et kompakt, miljøvenligt, energieffektivt og meget pålideligt køleskab, der fungerer inden for rummets temperaturområde. Denne opgave skyldes en række alvorlige krav til de eksisterende kølesystemer. Det er kendt, at der ved drift af køleskabe, der i øjeblikket er i brug, kan forekomme lækager af arbejdsgasser (kølemidler), der forårsager så alvorlige miljøproblemer som ozonlagsnedbrydning og global opvarmning er mulige. Blandt en række alternative teknologier, der kan anvendes i køleanlæg, er forskerne i hele verden mere og mere opmærksomme på teknologien med magnetisk køling. Der arbejdes intensivt med magnetisk køling på mange laboratorier og universiteter i Europa, USA, Canada, Kina og Rusland.

Et magnetisk køleskab er en miljøvenlig anordning, som gør det muligt at reducere strømforbruget betydeligt. Sidstnævnte omstændighed er yderst vigtig i betragtning af det virkelig store antal køleanlæg, som mennesket bruger på forskellige områder af sin aktivitet. Den magnetiske køleteknologi er baseret på et hvilket som helst magnetisk materiales evne til at ændre sin temperatur og entropi under påvirkning af et magnetfelt. Denne evne kommer til udtryk ved komprimering eller ekspansion af gas eller damp i traditionelle køleskabe. En sådan ændring i det magnetiske materiales temperatur eller entropi som følge af en ændring i magnetfeltets styrke kaldes den magnetokaloriske effekt (i det følgende benævnt MCE).
Ændringen i det magnetiske materiales temperatur er resultatet af en omfordeling af det magnetiske stofs indre energi mellem systemet af magnetiske momenter hos dets atomer og krystalgitter. Den maksimale værdi af MCE opnås i magnetisk ordnede materialer, såsom ferromagneter, antiferromagneter osv., der ligger ved temperaturer for magnetiske faseovergange (temperaturer for magnetisk ordening – Curie, Neel osv.).
Den største fordel ved anordninger til magnetisk køling er forbundet med en høj tæthed af varmeoverføringsmateriale – et fast legeme sammenlignet med damp- eller gastæthed. Ændringen af entropi pr. volumenenhed i de faste magnetiske materialer er syv gange højere end i en gas. Dette gør det muligt at designe køleskabe, der er mere kompakte. Selve det magnetiske arbejdsmedie fungerer som en analogi til de kølemidler, der anvendes i traditionelle køleanlæg med kombineret cyklus. Desuden er afmagnetiserings- og magnetiseringsprocessen analog med kompressions- og ekspansionscyklusser. Effektiviteten af ethvert køleskab bestemmes hovedsagelig af mængden af irreversibelt arbejde, der udføres i løbet af cyklussen – for de effektive apparater skal den være så lav som muligt. I et gasopvarmet køleskab er der anordninger, der producerer en betydelig mængde irreversibelt arbejde – en regenerator, en kompressor og varmevekslere.
En stor del af det irreversible arbejde udføres i varmevekslerne. Det er direkte proportionalt med den adiabatiske ændring i arbejdsvæskens temperatur. Det er meget større i en gas end i et magnetisk materiale. På grund af dette udføres den mest effektive varmeafgivelse med magnetisk, især i den regenerative, kølecyklus. Den særlige udformning af varmeveksleren og brugen af en regenerator med et stort overfladeareal gør det muligt at opnå en lille del af det irreversible arbejde under den magnetiske køling. Effektiviteten af den magnetiske regenerative kølecyklus i temperaturområdet fra 4,5 til 300 0K kan være fra 38 til 60% af Carnot-cyklusen (ca. 52% effektivitet i temperaturområdet fra 20 til 150 0K og ca. 85% i området fra 150 til 300 0K). Hermed vil varmeoverførselsbetingelserne på alle stadier af cyklussen være de bedste, der er kendt i dag. Desuden omfatter magnetiske køleskabe et lille antal bevægelige dele, fungerer ved lave frekvenser, hvilket gør det muligt at minimere køleskabets slitage og øge dets driftstid.

Kronologien for dette problem. Grundprincipper for magnetisk køling

1. Warburg opdagede MCE for relativt længe siden, nemlig i 1881. Han observerede, hvordan jernprøven under påvirkning af et magnetfelt blev opvarmet eller afkølet. Denne videnskabsmand konkluderede, at temperaturændringen af prøven er en konsekvens af ændringen i den indre energi af et stof med en magnetisk struktur under påvirkning af et magnetfelt.

Der var dog stadig langt til praktisk anvendelse af dette fænomen. Langevin (i 1905) var den første, der påviste, at magnetiseringsændringen i en paramagnet fører til en reversibel ændring i temperaturen af en prøve. Selve den magnetiske køling blev foreslået næsten 50 år efter opdagelsen af MCE af to amerikanske forskere, Peter Debye (i 1926) og William Giauque (i 1927), uafhængigt af hinanden, som en metode til at opnå temperaturer under kogepunktet for flydende helium. Jiok og McDougall var de første til at demonstrere det enkleste forsøg med magnetisk køling i 1933. Lidt senere blev det også udført af de Haas (i 1933) og Kurti (i 1934). I forbindelse med dette forsøg var det muligt at nå en temperatur på 0,25 0K. Som varmeoverførende stof blev der desuden anvendt pumpet flydende helium ved en temperatur på 1,5 0K.
Pillen med det magnetiske salt befandt sig i en termisk ligevægtstilstand med det varmesænkende materiale, mens der var et stærkt magnetfelt i solenoiden. Når solenoiden blev afladet, er den magnetiske pille blevet termisk isoleret, og dens temperatur er blevet sænket. Denne teknik, der kaldes afkøling ved adiabatisk afmagnetisering, er en standardlaboratorieteknik, der anvendes til at opnå ultralave temperaturer. Kapaciteten af et sådant køleskab og dets driftstemperaturområde er imidlertid for lille til industrielle anvendelser. Mere komplekse metoder med termisk regenerering og cykliske ændringer i det magnetiske felt blev foreslået i 60’erne i det forrige århundrede. I 1976 demonstrerede J. Brown (fra NASA) et regenerativt magnetisk køleskab, der fungerer ved et arbejdstemperaturområde på 50 0K allerede ved stuetemperaturen. Køleskabets effekt og effektivitet var dog stadig lav i dette tilfælde, da temperaturgradienten skulle opretholdes ved at blande væskevarmelegemet, og den tid, der var nødvendig for at oplade og aflade magneten, var for stor.
De små køleanlæg med lav effekt blev bygget i 80’erne og 90’erne i flere forskningscentre: Los Alamos National Lab, Navy Lab i Annapolis, Oak Ridge National Lab, Astronautics (alle USA), Toshiba (Japan). I øjeblikket finansierer flere NASA-forskningscentre arbejdet med kompakte magnetiske køleanlæg til rumapplikationer efter princippet om adiabatisk afmagnetisering. Astronautics Corporation of America (USA, Wisconsin) og University of Victoria (Canada) gennemfører undersøgelser af de magnetiske køleskabers muligheder for kommercielle anvendelser. Forskning i materialer til en fungerende fast krop i magnetiske køleskabe ud fra et anvendt synspunkt udføres i øjeblikket intensivt af Ames Laboratory (Ames, Iowa), University of Three Rivers i Quebec (Canada), NIST (Gaithersburg, MD) og firmaet Advanced Magnetic Technologies and Consulting (AMT&C).

I 1997 demonstrerede “Astronautics Corporation of America” et relativt kraftigt (600 watt) magnetisk køleskab, der fungerer ved næsten stuetemperatur. Effektiviteten af dette køleskab var allerede sammenlignelig med effektiviteten af konventionelle freon-køleskabe. Denne anordning, der anvender en aktiv magnetisk regenerator (hvor funktionerne af en termisk regenerator og et arbejdsmedie er kombineret), arbejdede i mere end 1500 timer ved stuetemperaturområdet, en effekt på 600 watt. Virkningsgraden var ca. 35 % i forhold til Carnot-cyklusen ved et magnetfelt på fem Tesla. I denne anordning blev der anvendt en superledende solenoide og som fast arbejdslegeme det sjældne jordartsmetal gadolinium (Gd). En ren gadolinium blev brugt i denne egenskab ikke kun af Astronautics, men også af NASA, Navy og andre laboratorier, hvilket skyldes dets magnetiske egenskaber, nemlig – en passende Curie-temperatur (ca. 293 0K) og en tilstedeværelse af den ret betydelige magnetokaloriske effekt. MCE-størrelsen og dermed effektiviteten af køleprocessen i et magnetisk køleskab bestemmes af egenskaberne ved de magnetiske arbejdslegemer.
I 1997 rapporterede Ames Research Center om opdagelsen af fire gigantiske magnetokaloriske effekter i Gd5 (Si2Ge1-X)-forbindelserne. Den magnetiske ordenstemperatur for disse materialer kan variere over et bredt område fra 20 0K til stuetemperatur på grund af en ændring i forholdet mellem silicium (Si) og germanium (Ge). De mest lovende materialer til brug som faste legemer er i øjeblikket gadoliniummetallet, en række intermetalliske forbindelser baseret på de sjældne jordarter, et system af silicid-germanidforbindelser Gd5 (Ge-Si) 4 samt La (Fe-Si) 13. Anvendelsen af disse materialer gør det muligt at udvide køleskabets arbejdstemperaturområde og forbedre dets økonomiske indikatorer betydeligt. Det skal bemærkes, at det banebrydende arbejde med at finde effektive legeringer til magnetiske køleskabe, der arbejder med faste legemer, blev udført flere år tidligere på fysikinstituttet på Moskvas universitet. De mest fuldstændige resultater af disse forskere er beskrevet i den doktorafhandling, som den ledende forskningsmedarbejder ved fysikfakultetet ved Moskvas statsuniversitet, A.M. Tishina, fremlagde i 1994.
I løbet af dette arbejde er talrige mulige kombinationer af sjældne jordarter og magnetiske metaller og andre materialer blevet analyseret ud fra et synspunkt om at søge efter optimale legeringer til realisering af magnetisk køling i de forskellige temperaturområder. Det blev især fundet, at blandt materialer med høje magnetokaloriske egenskaber har forbindelsen Fe49Rh51 (jern-rhodium-legering) den største specifikke (dvs. pr. magnetisk feltenhed) magnetokaloriske effekt. Den specifikke MCE for denne forbindelse er flere gange større end for silicid-germanidforbindelserne. Denne legering kan ikke anvendes i praksis på grund af dens høje pris og fraværet af væsentlige hystereseeffekter i den. Den kan dog tjene som en slags standard, hvormed man kan sammenligne de magnetokaloriske egenskaber for de materialer, der undersøges. I Science News (v.161, n.1, s.4, 2002) blev der endelig rapporteret om skabelsen af verdens første køleskabsapparat (som ikke kun kan anvendes til videnskabelige formål, men også til husholdningsformål). En funktionsdygtig model af et sådant køleskab blev fremstillet i fællesskab af Astronautics Corporation of America og Ames Laboratory og blev første gang demonstreret på G8-konferencen i Detroit i maj 2002. Prototypen af det foreslåede magnetiske køleskab til husholdningsbrug fungerer ved stuetemperaturer og anvender en permanentmagnet som feltkilde. Denne anordning blev meget positivt vurderet af eksperter og den amerikanske energiminister. Skøn viser, at brugen af magnetiske køleskabe vil kunne reducere det samlede energiforbrug i USA med 5 %. Det er planen, at magnetisk køling kan anvendes inden for forskellige områder af menneskelig aktivitet, f.eks. i:

• hydrogenlikvefysikere,
• køleanordninger til højhastighedscomputere og anordninger baseret på SQUID’er,
• klimaanlæg til bolig- og industrilokaler,
• kølesystemer til køretøjer,
• husholdnings- og industrikøleskabe mv.

Det skal bemærkes, at arbejdet med magnetiske køleskabe allerede har været finansieret af det amerikanske energiministerium i 20 år.

Køleskabets konstruktionsstruktur

I den oprettede prototype af det magnetiske køleskab anvendes et konstruktionsarrangement med roterende hjul. Det består af et hjul, der indeholder segmenter med gadoliniumpulveret, samt den kraftige permanentmagnet.

Denne konstruktion er udformet på en sådan måde, at hjulet rullede gennem magnetens arbejdsspalte, hvori magnetens magnetfelt er koncentreret. Når et segment med gadolinium kommer ind i gadoliniums magnetfelt, opstår der en magnetokalorisk effekt – det varmes op. Denne varme fjernes ved hjælp af en vandkølet varmeveksler. Når gadolinium forlader magnetfeltzonen, opstår der en magnetokalorisk effekt af modsat fortegn, og materialet afkøles yderligere, idet varmeveksleren afkøles med den anden vandstrøm, der cirkulerer i den. Denne strøm anvendes faktisk til at fryse kølekammeret i det magnetiske køleskab. En sådan anordning er kompakt og fungerer stort set lydløst og uden vibrationer, hvilket adskiller den fra de i dag anvendte køleskabe med en damp-gascyklus. For første gang blev denne teknologi godkendt tilbage i september 2001. I øjeblikket arbejdes der på at udvide dens muligheder yderligere: den teknologiske proces for kommerciel produktion af rent gadolinium og de nødvendige forbindelser heraf er ved at blive forbedret, hvilket vil gøre det muligt at opnå en større værdi af MCE til en lavere pris. Samtidig har Ames-laboratoriets personale konstrueret en permanent magnet, der kan skabe et stærkt magnetfelt. Den nye magnet skaber et felt, der er dobbelt så stærkt som magneten i den tidligere konstruktion af det magnetiske køleskab (i 2001). Det er meget vigtigt, fordi størrelsen af magnetfeltet er afgørende for parametre som køleskabets effektivitet og udgangseffekt. Der er indgivet patentansøgninger om fremstilling af en forbindelse til arbejdsstoffet Gd5 (Si2Ge2) og om konstruktion af en permanent magnet.

Fordele, ulemper og anvendelser

Alle magnetiske køleskabe kan opdeles i to klasser efter typen af anvendte magneter:

• systemer med superledende magneter;
• systemer på de permanente magneter.

De første af dem har et bredt område af driftstemperaturer og en relativt høj udgangseffekt. De kan f.eks. anvendes i luftkonditioneringsanlæg i de store lokaler og til udstyr til opbevaring af fødevarer. Permanentmagnetkølesystemerne har et relativt begrænset temperaturområde (ikke mere end 303 K pr. cyklus) og kan i princippet anvendes i apparater med en gennemsnitlig effekt (op til 100 watt). F.eks. som en bilkøler eller et bærbart picnic-køleskab er. De har dog begge en række fordele i forhold til de traditionelle kølesystemer med kombineret cyklus:

• Lav miljøfare. Arbejdslegemet er solidt og kan let isoleres fra miljøet. De lanthanidmetaller, der anvendes som arbejdslegemer, er lavt giftige og kan genbruges efter bortskaffelse af apparatet. Det varmeafgivende medium skal kun have en lav viskositet og tilstrækkelig varmeledningsevne, hvilket svarer godt til vands, heliums eller lufts egenskaber. De er godt kompatible med miljøet.

• Høj effektivitet. Magnetokalorisk opvarmning og afkøling er praktisk talt reversible termodynamiske processer i modsætning til processen med dampkompression i arbejdscyklussen i et køleskab med kombineret kredsløb. Teoretiske beregninger og eksperimentelle undersøgelser viser, at de magnetiske køleanlæg er kendetegnet ved en højere effektivitet og Især inden for rumtemperaturer er de magnetiske køleskabe potentielt 20-30% mere effektive end dem, der arbejder i gas-dampcyklus, er. Teknologien med magnetisk køling kan i fremtiden være meget effektiv, hvilket vil reducere omkostningerne ved sådanne anlæg betydeligt.

• Lang levetid. Teknologien indebærer anvendelse af et lille antal bevægelige dele og få driftsfrekvenser i køleanlæggene, hvilket reducerer deres slitage betydeligt.

• Teknologiens fleksibilitet. Det er muligt at bruge de forskellige designs af magnetiske køleskabe afhængigt af formålet.

• Nyttige egenskaber ved indfrysning. Magnetisk teknologi muliggør køling og frysning af forskellige stoffer (vand, luft, kemikalier) med mindre ændringer i hvert enkelt tilfælde. I modsætning hertil kræver en effektiv kølecyklus med kombineret cyklus mange adskilte trin eller en blanding af forskellige arbejdskølemidler til den samme procedure.

• Hurtige fremskridt i udviklingen af superledning og forbedring af de magnetiske egenskaber af permanente magneter er. I øjeblikket er en hel række kendte kommercielle virksomheder med succes beskæftiget med at forbedre egenskaberne ved NdFeB-magneter (de mest effektive permanente magneter) og arbejder på deres konstruktioner. Sammen med de kendte fremskridt inden for superledning giver dette håb om en forbedring af kvaliteten af magnetiske køleskabe og en samtidig billiggørelse af dem.

Ulemper ved magnetisk køling