Es extremadamente relevante crear actualmente un refrigerador compacto, respetuoso con el medio ambiente, energéticamente eficiente y altamente fiable que funcione en el rango de temperatura de la habitación. Esta tarea se debe a una serie de graves reclamaciones a los sistemas de refrigeración existentes. Se sabe que en el funcionamiento de los frigoríficos actualmente en uso, pueden producirse las fugas de los gases de trabajo (refrigerantes) que causan problemas ambientales tan graves como el agotamiento de la capa de ozono y el calentamiento global son posibles. Entre una variedad de tecnologías alternativas que podrían utilizarse en los dispositivos de refrigeración, cada vez más la atención de los investigadores de todo el mundo está atrayendo la tecnología de la refrigeración magnética. En muchos laboratorios y universidades de Europa, Estados Unidos, Canadá, China y Rusia se está trabajando intensamente en la refrigeración magnética.
Un refrigerador magnético es un dispositivo respetuoso con el medio ambiente y permite reducir considerablemente el consumo de energía. Esta última circunstancia es extremadamente importante dado el número realmente enorme de aparatos de refrigeración que utiliza el hombre en diversos campos de su actividad. La tecnología de refrigeración magnética se basa en la capacidad de cualquier material magnético de cambiar su temperatura y entropía bajo la influencia de un campo magnético. Esta capacidad se manifiesta al comprimir o expandir gas o vapor en los refrigeradores tradicionales. Tal cambio en la temperatura o entropía del material magnético debido a un cambio en la intensidad del campo magnético se denomina efecto magnetocalórico (en adelante MCE).
El cambio en la temperatura del material magnético es el resultado de la redistribución de la energía interna de la sustancia magnética entre el sistema de momentos magnéticos de sus átomos y la red cristalina. El valor máximo de MCE se obtiene en los materiales magnéticamente ordenados, como los ferromagnéticos, antiferromagnéticos, etc., situados a las temperaturas de las transiciones de fase magnética (temperaturas de ordenamiento magnético – Curie, Neel, etc.).
La principal ventaja de los dispositivos para la refrigeración magnética está asociada a una alta densidad del material de transferencia de calor – un cuerpo sólido en comparación con la densidad del vapor o del gas. El cambio de entropía por unidad de volumen en los materiales magnéticos sólidos es siete veces mayor que en un gas. Esto permite diseñar refrigeradores más compactos. El propio medio de trabajo magnético sirve de análogo a los refrigerantes utilizados en las instalaciones de refrigeración tradicionales de ciclo combinado. Además, el proceso de desmagnetización-magnetización es análogo a los ciclos de compresión-expansión. La eficiencia de cualquier refrigerador viene determinada principalmente por la cantidad de trabajo irreversible que se realiza durante el ciclo: para que los dispositivos sean eficaces, debe ser lo más bajo posible. En un refrigerador calentado por gas, hay dispositivos que producen una cantidad significativa de trabajo irreversible: un regenerador, un compresor y los intercambiadores de calor.
En los intercambiadores de calor se realiza gran parte del trabajo irreversible. Es directamente proporcional al cambio adiabático de la temperatura del fluido de trabajo. Es mucho mayor en un gas que en un material magnético. Debido a esto, la disipación de calor más eficiente se realiza con el ciclo de refrigeración magnético, especialmente en el regenerativo. El diseño especial del intercambiador de calor y el uso de un regenerador con una gran superficie permiten conseguir una pequeña parte de trabajo irreversible durante la refrigeración magnética. La eficacia del ciclo de refrigeración magnética regenerativa en el rango de temperaturas de 4,5 a 300 0K puede ser del 38 al 60% del ciclo Carnot (alrededor del 52% de eficacia en el rango de temperaturas de 20 a 150 0K, y alrededor del 85% en el rango de 150 a 300 0K). De este modo, en todas las etapas del ciclo, las condiciones de transferencia de calor serán las mejores conocidas en la actualidad. Además, los refrigeradores magnéticos incluyen un pequeño número de piezas móviles, funcionan a bajas frecuencias, lo que permite minimizar el desgaste del refrigerador y aumentar su tiempo de funcionamiento.
La cronología de este problema. Principios básicos del enfriamiento magnético
- Warburg descubrió el MCE hace relativamente mucho tiempo, en 1881. Observó cómo, bajo la acción de un campo magnético, la muestra de hierro se calentaba, o se enfriaba. Este científico llegó a la conclusión de que el cambio de temperatura de la muestra es consecuencia del cambio de la energía interna de una sustancia, que tiene una estructura magnética, bajo la influencia de un campo magnético.
Sin embargo, aún faltaba mucho para el uso práctico de este fenómeno. Langevin (en 1905) fue el primero que demostró que el cambio de magnetización de un paramagneto conduce a un cambio reversible de la temperatura de una muestra. El enfriamiento magnético propiamente dicho fue propuesto casi 50 años después del descubrimiento del MCE, por dos científicos estadounidenses, Peter Debye (en 1926) y William Giauque (en 1927), de forma independiente, como un modo de alcanzar temperaturas inferiores al punto de ebullición del helio líquido. Jiok y McDougall fueron los primeros en demostrar el experimento más sencillo de la refrigeración magnética en 1933. Un poco más tarde lo hicieron también de Haas (en 1933) y Kurti (en 1934). En el curso de este experimento, fue posible alcanzar una temperatura de 0,25 0K. Además, como sustancia transmisora de calor, se utilizó el helio líquido bombeado para a una temperatura de 1,5 0K.
La pastilla con la sal magnética se encontraba en un estado de equilibrio térmico con el material disipador de calor, mientras que había un fuerte campo magnético en el solenoide. Cada vez que el solenoide se descargaba, la píldora magnética se aislaba térmicamente y su temperatura bajaba. Esta técnica, denominada enfriamiento por desmagnetización adiabática, es una técnica estándar de laboratorio, utilizada para obtener las temperaturas ultrabajas. Sin embargo, la capacidad de dicho refrigerador y su rango de temperatura de funcionamiento son demasiado pequeños para las aplicaciones industriales. En los años 60 del siglo pasado se propusieron métodos más complejos, con regeneración térmica y cambios cíclicos en el campo magnético. En 1976, J. Brown (de la NASA) demostró un refrigerador magnético regenerativo, que funcionaba a un rango de temperatura de trabajo de 50 0K ya en el rango de la temperatura ambiente. Sin embargo, la potencia del refrigerador y su eficiencia seguían siendo bajas en este caso, ya que era necesario mantener el gradiente de temperatura mediante la mezcla del disipador de calor fluido, y el tiempo necesario para cargar y descargar el imán era demasiado grande.
Los pequeños dispositivos de refrigeración de baja potencia se construyeron en los años 80 y 90 en varios centros de investigación: Laboratorio Nacional de Los Álamos, Laboratorio de la Armada en Annapolis, Laboratorio Nacional de Oak Ridge, Astronáutica (todos ellos de EEUU), Toshiba (Japón). En la actualidad, varios centros de investigación de la NASA financian trabajos con los refrigeradores magnéticos compactos para aplicaciones espaciales sobre el principio de las operaciones de desmagnetización adiabática. Astronautics Corporation of America (EE.UU., Wisconsin) y la Universidad de Victoria (Canadá) están realizando estudios sobre las posibilidades de los refrigeradores magnéticos para aplicaciones comerciales. La investigación de los materiales para un cuerpo sólido de trabajo de los refrigeradores magnéticos desde un punto de vista aplicado, se está llevando a cabo intensamente en la actualidad por el ‘Ames Laboratory’ (Ames, Iowa), la ‘University of Three Rivers’ en Quebec (Canadá), el NIST (Gaithersburg, MD) y la empresa ‘Advanced Magnetic Technologies and Consulting’ (AMT&C).
En 1997, la ‘Astronautics Corporation of America’ demostró un refrigerador magnético relativamente potente (600 vatios) que funcionaba a una temperatura cercana a la ambiente. La eficiencia de este refrigerador ya era comparable con la de los refrigeradores convencionales de freón. Este dispositivo, que utiliza un regenerador magnético activo (en el que se combinan las funciones de un regenerador térmico y un medio de trabajo), funcionó durante más de 1500 horas a la temperatura ambiente, con una potencia de 600 vatios. El rendimiento fue de aproximadamente un 35% con respecto al ciclo de Carnot a un campo magnético de cinco Tesla. En este dispositivo se utilizó como solenoide superconductor y, como cuerpo sólido de trabajo, el metal de tierras raras de gadolinio (Gd). El gadolinio puro fue utilizado en esta capacidad no sólo por la Astronáutica, sino también por la NASA, la Marina y otros laboratorios, lo que se debe a sus propiedades magnéticas, a saber – una temperatura de Curie adecuada (alrededor de 293 0K) y una presencia del efecto magnetocalórico bastante significativa. La magnitud del MCE, y por lo tanto la eficiencia del proceso de enfriamiento en un refrigerador magnético, está determinada por las propiedades de los cuerpos de trabajo magnéticos.
En 1997, el Centro de Investigación Ames informó del descubrimiento de cuatro efectos magnetocalóricos gigantes en los compuestos Gd5 (Si2Ge1-X). La temperatura de ordenación magnética de estos materiales puede variar en un amplio rango que va desde los 20 0K hasta la temperatura ambiente, debido a un cambio en la proporción de silicio (Si) y germanio (Ge). Los más prometedores para su uso como cuerpos sólidos de trabajo son actualmente el gadolinio metálico, una serie de compuestos intermetálicos basados en los elementos de las tierras raras, un sistema de compuestos siliciuro-germanio Gd5 (Ge-Si) 4, y también La (Fe-Si) 13. El uso de estos materiales permite ampliar el rango de temperatura de trabajo del refrigerador y mejorar significativamente sus indicadores económicos. Hay que señalar que los trabajos pioneros en la búsqueda de aleaciones eficaces para los cuerpos sólidos de los refrigeradores magnéticos se realizaron varios años antes en el Departamento de Física de la Universidad de Moscú. Los resultados más completos de estos investigadores se exponen en la tesis doctoral del investigador principal de la facultad de física de la Universidad Estatal de Moscú, A.M. Tishina, en 1994.
En el curso de este trabajo, se han analizado numerosas combinaciones posibles de metales magnéticos y de tierras raras y otros materiales desde el punto de vista de la búsqueda de aleaciones óptimas para la realización de la refrigeración magnética en los diferentes rangos de temperatura. Se encontró, en particular, que entre los materiales con altas propiedades magnetocalóricas, el compuesto Fe49Rh51 (aleación de hierro y rodio) tiene el mayor efecto magnetocalórico específico (es decir, por unidad de campo magnético). El MCE específico de este compuesto es varias veces mayor que el de los compuestos de siliciuro-germanuro. Esta aleación no puede utilizarse en la práctica debido a su elevado coste y a la ausencia de efectos de histéresis significativos en ella. Sin embargo, puede servir como una especie de estándar con el que comparar las propiedades magnetocalóricas de los materiales en estudio. Por último, Science News (v.161, n.1, p.4, 2002) informó de la creación del primer aparato frigorífico del mundo (que es aplicable no sólo para los fines científicos sino también para los domésticos). La Astronautics Corporation of America y el Laboratorio Ames fabricaron conjuntamente un modelo funcional de dicho refrigerador, que fue demostrado por primera vez en la Conferencia del G8 celebrada en Detroit en mayo de 2002. El prototipo funcional del refrigerador magnético doméstico propuesto funciona en el rango de temperaturas ambiente y utiliza un imán permanente como fuente de campo. Este dispositivo recibió la alta valoración de los expertos y del Secretario de Energía de Estados Unidos. Las estimaciones indican que el uso de frigoríficos magnéticos reducirá el consumo total de energía en Estados Unidos en un 5%. Está previsto que la refrigeración magnética pueda utilizarse en diversos campos de la actividad humana, por ejemplo, en:
- licuadores de hidrógeno,
- dispositivos de refrigeración para ordenadores de alta velocidad y dispositivos basados en los SQUID,
- acondicionadores de aire para los locales residenciales e industriales,
- sistemas de refrigeración para los vehículos,
- refrigeradores domésticos e industriales, etc.
Hay que tener en cuenta, que los trabajos de los refrigeradores magnéticos han sido financiados por el Departamento de Energía de los Estados Unidos desde hace 20 años.
Estructura de construcción del refrigerador
En el prototipo creado del refrigerador magnético, se utiliza una disposición de construcción de rueda giratoria. Consiste en una rueda que contiene segmentos con el polvo de gadolinio, así como el potente imán permanente.
Esta construcción está diseñada de tal manera que la rueda se desplaza a través del hueco de trabajo del imán, en el que se concentra el campo magnético. Cuando un segmento con gadolinio entra en el campo magnético del mismo, se produce un efecto magnetocalórico: se calienta. Este calor se elimina mediante un intercambiador de calor refrigerado por agua. Cuando el gadolinio sale de la zona del campo magnético, surge un efecto magnetocalórico de signo contrario y el material se enfría aún más, enfriando el intercambiador de calor con el segundo flujo de agua que circula por él. Este flujo, de hecho, se utiliza para congelar la cámara de refrigeración del refrigerador magnético. Este dispositivo es compacto y funciona prácticamente sin ruido y sin vibraciones, lo que lo distingue de los frigoríficos actualmente utilizados con ciclo de vapor-gas. Esta tecnología fue aprobada por primera vez en septiembre de 2001. Actualmente, se está trabajando para ampliar aún más sus capacidades: se está mejorando el proceso tecnológico de producción comercial de gadolinio puro y de sus compuestos necesarios, lo que permitirá conseguir un mayor valor del MCE a un menor coste. Simultáneamente, el personal del Laboratorio Ames construyó un imán permanente, capaz de crear un fuerte campo magnético. El nuevo imán crea un campo dos veces más fuerte que el imán de la anterior construcción del refrigerador magnético (en 2001). Es muy importante porque la magnitud del campo magnético determina parámetros como la eficiencia y la potencia de salida del refrigerador. Se han presentado solicitudes de patente para la preparación de un compuesto para la sustancia de trabajo Gd5 (Si2Ge2) y la construcción de un imán permanente.
Ventajas, desventajas y aplicaciones
Todos los refrigeradores magnéticos pueden dividirse en dos clases según el tipo de imanes utilizados:
- sistemas que utilizan imanes superconductores;
- sistemas sobre los imanes permanentes.
Los primeros de ellos tienen una amplia gama de temperaturas de funcionamiento y una potencia de salida relativamente alta. Pueden ser utilizados, por ejemplo, en los sistemas de aire acondicionado en los grandes locales y para los equipos de almacenamiento de alimentos. Los sistemas de refrigeración de imanes permanentes tienen un rango de temperatura relativamente limitado (no más de 303 °K por ciclo) y, en principio, pueden utilizarse en los dispositivos con una potencia media (hasta 100 vatios). Por ejemplo, como una nevera de coche o un refrigerador portátil de picnic son. Sin embargo, ambos tienen una serie de ventajas sobre los sistemas tradicionales de refrigeración de ciclo combinado:
- Bajo riesgo medioambiental. El cuerpo de trabajo es sólido y puede aislarse fácilmente del medio ambiente. Los metales lantánidos utilizados como cuerpos de trabajo son poco tóxicos y pueden reutilizarse después de desechar el dispositivo. El medio de eliminación de calor sólo debe tener una baja viscosidad y una conductividad térmica suficiente, que corresponde bien a las propiedades del agua, el helio o el aire. Son muy compatibles con el medio ambiente.
- Alta eficiencia. El calentamiento y el enfriamiento magnetocalórico son procesos termodinámicos prácticamente reversibles, a diferencia del proceso de compresión de vapor en el ciclo de trabajo de un refrigerador de ciclo combinado. Los cálculos teóricos y los estudios experimentales demuestran que los refrigeradores magnéticos se caracterizan por una mayor eficacia y, en particular, en el ámbito de las temperaturas ambiente, los refrigeradores magnéticos son potencialmente un 20-30% más eficaces que los que funcionan en el ciclo de gas-vapor. La tecnología de refrigeración magnética en el futuro puede ser muy eficaz, lo que reducirá significativamente el costo de tales instalaciones.
- Larga vida útil. La tecnología implica el uso de un pequeño número de piezas móviles y unas pocas frecuencias de funcionamiento en los dispositivos de refrigeración, lo que reduce significativamente su desgaste.
- La flexibilidad de la tecnología. Es posible utilizar los diferentes diseños de refrigeradores magnéticos en función de la finalidad.
- Propiedades útiles de congelación. La tecnología magnética permite enfriar y congelar diversas sustancias (agua, aire, productos químicos) con pequeños cambios en cada caso. Por el contrario, un ciclo de refrigeración eficiente de ciclo combinado requiere muchas etapas segregadas o una mezcla de diferentes refrigerantes de trabajo para el mismo procedimiento.
- El rápido progreso en el desarrollo de la superconductividad y la mejora de las propiedades magnéticas de los imanes permanentes son. En la actualidad, todo un número de conocidas empresas comerciales se dedican con éxito a mejorar las propiedades de los imanes de NdFeB (los imanes permanentes más eficaces) y trabajan en su construcción. Junto con los conocidos avances en el campo de la superconductividad, esto permite esperar una mejora de la calidad de los refrigeradores magnéticos y su simultáneo abaratamiento.