È estremamente rilevante creare attualmente un frigorifero compatto, ecologico, efficiente dal punto di vista energetico e altamente affidabile che operi nella gamma di temperatura della stanza. Questo compito è dovuto a una serie di gravi reclami ai sistemi di raffreddamento esistenti. È noto che durante il funzionamento dei frigoriferi attualmente in uso, ci possono essere delle perdite di gas di lavoro (refrigeranti) che causano gravi problemi ambientali come la riduzione dell’ozono e il riscaldamento globale. Tra una varietà di tecnologie alternative che potrebbero essere utilizzate nei dispositivi di raffreddamento, sempre più attenzione dei ricercatori di tutto il mondo sta attirando la tecnologia del raffreddamento magnetico. Il lavoro intensivo sul raffreddamento magnetico sta conducendo in molti laboratori e università in Europa, Stati Uniti, Canada, Cina e Russia.

Un frigorifero magnetico è un dispositivo ecologico e permette di ridurre significativamente il consumo di energia. Quest’ultima circostanza è estremamente importante dato il numero veramente enorme di unità di refrigerazione utilizzate dall’uomo nei vari campi della sua attività. La tecnologia del raffreddamento magnetico si basa sulla capacità di qualsiasi materiale magnetico di cambiare la sua temperatura ed entropia sotto l’influenza di un campo magnetico. Questa capacità si manifesta quando si comprime o si espande il gas o il vapore nei frigoriferi tradizionali. Tale cambiamento nella temperatura o entropia del materiale magnetico a causa di un cambiamento nella forza del campo magnetico è chiamato effetto magnetocalorico (di seguito denominato MCE).
Il cambiamento della temperatura del materiale magnetico è il risultato della ridistribuzione dell’energia interna della sostanza magnetica tra il sistema di momenti magnetici dei suoi atomi e reticolo cristallino. Il valore massimo di MCE si ottiene in materiali magneticamente ordinati, come ferromagneti, antiferromagneti, ecc, situati a temperature di transizioni di fase magnetica (temperature di ordinamento magnetico – Curie, Neel, ecc).
Il vantaggio principale dei dispositivi per il raffreddamento magnetico è associato all’alta densità del materiale di trasferimento del calore – un corpo solido rispetto alla densità del vapore o del gas. Il cambiamento di entropia per unità di volume nei materiali magnetici solidi è sette volte più alto che in un gas. Questo permette di progettare frigoriferi più compatti. Il mezzo di lavoro magnetico stesso serve come un analogo dei refrigeranti usati negli impianti di refrigerazione tradizionali a ciclo combinato. Inoltre, il processo di smagnetizzazione-magnetizzazione è analogo ai cicli di compressione-espansione. L’efficienza di qualsiasi frigorifero è determinata principalmente dalla quantità di lavoro irreversibile fatto durante il ciclo – per i dispositivi efficaci, dovrebbe essere il più basso possibile. In un frigorifero riscaldato a gas, ci sono dispositivi che producono una quantità significativa di lavoro irreversibile – un rigeneratore, un compressore e scambiatori di calore.
Molto lavoro irreversibile viene fatto negli scambiatori di calore. È direttamente proporzionale alla variazione adiabatica della temperatura del fluido di lavoro. È molto più grande in un gas che in un materiale magnetico. A causa di questo, la dissipazione di calore più efficiente viene effettuata con il magnetico, specialmente nel ciclo di refrigerazione rigenerativo. Il design speciale dello scambiatore di calore e l’uso di un rigeneratore con una grande superficie permettono di ottenere una piccola parte di lavoro irreversibile durante il raffreddamento magnetico. L’efficacia del ciclo di raffreddamento rigenerativo magnetico nell’intervallo di temperatura da 4,5 a 300 0K può essere dal 38 al 60% del ciclo di Carnot (circa 52% di efficienza nell’intervallo di temperatura da 20 a 150 0K, e circa 85% nell’intervallo da 150 a 300 0K). In questo modo, in tutte le fasi del ciclo, le condizioni di trasferimento di calore saranno le migliori conosciute oggi. Inoltre, i frigoriferi magnetici includono un piccolo numero di parti mobili, operano a basse frequenze, che permettono di minimizzare l’usura del frigorifero e aumentare il suo tempo di funzionamento.

La cronologia di questo problema. Principi di base del raffreddamento magnetico

1. Warburg ha scoperto il MCE relativamente molto tempo fa, nel 1881. Osservò come, sotto l’azione di un campo magnetico, il campione di ferro si riscaldava, o si raffreddava. Questo scienziato concluse che il cambiamento di temperatura del campione è una conseguenza del cambiamento dell’energia interna di una sostanza, avendo una struttura magnetica, sotto l’influenza di un campo magnetico.

Tuttavia, era ancora lontano prima dell’uso pratico di questo fenomeno. Langevin (nel 1905) fu il primo a dimostrare che il cambiamento di magnetizzazione di un paramagnete porta a un cambiamento reversibile della temperatura di un campione. Il raffreddamento magnetico stesso fu proposto quasi 50 anni dopo la scoperta del MCE, da due scienziati americani, Peter Debye (nel 1926) e William Giauque (nel 1927), indipendentemente l’uno dall’altro, come un modo per raggiungere temperature inferiori al punto di ebollizione dell’elio liquido. Jiok e McDougall furono i primi a dimostrare l’esperimento più semplice della refrigerazione magnetica nel 1933. Un po’ più tardi fu fatto anche da de Haas (nel 1933) e Kurti (nel 1934). Nel corso di questo esperimento, è stato possibile raggiungere una temperatura di 0,25 0K. Inoltre, come sostanza di trasferimento di calore, l’elio liquido pompato è stato utilizzato per una temperatura di 1,5 0K.
La pillola con il sale magnetico era in uno stato di equilibrio termico con il materiale di dissipazione del calore, mentre c’era un forte campo magnetico nel solenoide. Ogni volta che il solenoide si è scaricato, la pillola magnetica è diventata termicamente isolata e la sua temperatura si è abbassata. Tale tecnica, chiamata raffreddamento per smagnetizzazione adiabatica, è una tecnica di laboratorio standard, utilizzata per ottenere le temperature ultra-basse. Tuttavia, la capacità di un tale frigorifero e la sua gamma di temperature operative sono troppo piccole per le applicazioni industriali. Metodi più complessi, con la rigenerazione termica e cambiamenti ciclici nel campo magnetico, sono stati proposti negli anni ’60 del secolo scorso. Nel 1976, J. Brown (della NASA) ha dimostrato un frigorifero magnetico rigenerativo, funzionante a una gamma di temperatura di lavoro di 50 0K già alla gamma di temperatura della stanza. Tuttavia, la potenza del frigorifero e la sua efficienza erano ancora basse in questo caso, poiché il gradiente di temperatura doveva essere mantenuto mescolando il dissipatore di calore fluido, e il tempo necessario per caricare e scaricare il magnete era troppo grande.

I piccoli dispositivi di refrigerazione a bassa potenza sono stati costruiti negli anni ’80 e ’90 in diversi centri di ricerca: Los Alamos National Lab, Navy Lab ad Annapolis, Oak Ridge National Lab, Astronautics (tutti USA), Toshiba (Giappone). Attualmente, diversi centri di ricerca della NASA finanziano lavori con i frigoriferi magnetici compatti per applicazioni spaziali sul principio delle operazioni di smagnetizzazione adiabatica. Astronautics Corporation of America (USA, Wisconsin) e l’Università di Victoria (Canada) stanno conducendo studi sulle possibilità di refrigeratori magnetici per applicazioni commerciali. La ricerca di materiali per un corpo solido funzionante di frigoriferi magnetici da un punto di vista applicato, è intensamente condotta attualmente dal ‘Ames Laboratory’ (Ames, Iowa), la ‘University of Three Rivers’ in Quebec (Canada), NIST (Gaithersburg, MD) e la società ‘Advanced Magnetic Technologies and Consulting’ (AMT&C).
Nel 1997, la ‘Astronautics Corporation of America’ ha dimostrato un frigorifero magnetico relativamente potente (600 watt) che funziona a temperatura ambiente. L’efficienza di questo frigorifero era già paragonabile a quella dei frigoriferi convenzionali a freon. Questo dispositivo, utilizzando un rigeneratore magnetico attivo (in cui si combinano le funzioni di un rigeneratore termico e di un mezzo di lavoro), ha funzionato per più di 1500 ore a temperatura ambiente, una potenza di 600 watt. L’efficienza era di circa il 35% rispetto al ciclo di Carnot al campo magnetico di cinque Tesla. In questo dispositivo, è stato utilizzato come solenoide superconduttore e, come corpo solido di lavoro, il metallo delle terre rare del gadolinio (Gd). Il gadolinio puro è stato utilizzato in questa funzione non solo dall’Astronautica, ma anche dalla NASA, dalla Marina e da altri laboratori, il che è dovuto alle sue proprietà magnetiche, cioè – una temperatura di Curie adatta (circa 293 0K) e una presenza dell’effetto magnetocalorico piuttosto significativa. La grandezza del MCE, e quindi l’efficienza del processo di raffreddamento in un frigorifero magnetico, è determinata dalle proprietà dei corpi di lavoro magnetici.
Nel 1997, l’Ames Research Center ha riportato la scoperta di quattro effetti magnetocalorici giganti nei composti Gd5 (Si2Ge1-X). La temperatura di ordinazione magnetica di questi materiali può variare in un ampio intervallo da 20 0K a temperatura ambiente a causa di un cambiamento nel rapporto di silicio (Si) e germanio (Ge). I più promettenti per l’utilizzo come corpi solidi funzionanti sono attualmente il metallo gadolinio, una serie di composti intermetallici basati sugli elementi delle terre rare, un sistema di composti silicio-germanio Gd5 (Ge-Si) 4, e anche La (Fe-Si) 13. L’uso di questi materiali permette di estendere la gamma di temperature di lavoro del frigorifero e di migliorare significativamente i suoi indicatori economici. Bisogna notare che i lavori pionieristici sulla ricerca di leghe efficaci per i corpi solidi funzionanti dei frigoriferi magnetici sono stati fatti diversi anni prima presso il Dipartimento di Fisica dell’Università di Mosca. I risultati più completi di questi ricercatori sono esposti nella tesi di dottorato del principale ricercatore associato della facoltà di fisica dell’Università statale di Mosca, A.M. Tishina, nel 1994.

Nel corso di questo lavoro, sono state analizzate numerose possibili combinazioni di terre rare e metalli magnetici e altri materiali dal punto di vista della ricerca di leghe ottimali per la realizzazione del raffreddamento magnetico nei diversi intervalli di temperatura. È stato trovato, in particolare, che tra i materiali con elevate proprietà magnetocaloriche, il composto Fe49Rh51 (lega ferro-rodio) ha il più grande effetto magnetocalorico specifico (cioè, per unità di campo magnetico). L’MCE specifico per questo composto è diverse volte più grande che nei composti silicidi-germanidi. Questa lega non può essere usata in pratica a causa del suo alto costo e dell’assenza di effetti di isteresi significativi in essa. Tuttavia, può servire come una sorta di standard con cui confrontare le proprietà magnetocaloriche dei materiali in studio. Finalmente, Science News (v.161, n.1, p.4, 2002) ha riportato la creazione del primo apparecchio frigorifero al mondo (che è applicabile non solo per gli scopi scientifici ma anche per quelli domestici). Un modello funzionante di tale frigorifero è stato prodotto congiuntamente da Astronautics Corporation of America e Ames Laboratory ed è stato dimostrato per la prima volta alla conferenza del G8 a Detroit nel maggio 2002. Il prototipo funzionante del proposto frigorifero magnetico domestico funziona nell’intervallo di temperatura ambiente e usa un magnete permanente come sorgente di campo. Questo dispositivo ha ricevuto un’alta valutazione da parte degli esperti e del Segretario all’Energia degli Stati Uniti. Le stime mostrano che l’uso di frigoriferi magnetici ridurrà il consumo totale di energia negli Stati Uniti del 5%. Si prevede che il raffreddamento magnetico possa essere usato in vari campi dell’attività umana, per esempio in:

• liquefattori di idrogeno,
• dispositivi di raffreddamento per computer ad alta velocità e dispositivi basati sugli SQUID,
• condizionatori d’aria per i locali residenziali e industriali,
• sistemi di raffreddamento per i veicoli,
• frigoriferi domestici e industriali, ecc.

Va notato che i lavori sui frigoriferi magnetici sono finanziati dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti già da 20 anni.

Struttura di costruzione del frigorifero

Nel prototipo creato del frigorifero magnetico, viene usata una struttura a ruota rotante. Consiste in una ruota che contiene segmenti con la polvere di gadolinio, così come il potente magnete permanente.

Questa costruzione è progettata in modo tale che la ruota scorre attraverso il gap di lavoro del magnete, in cui si concentra il campo magnetico. Quando un segmento con gadolinio entra nel campo magnetico del gadolinio, nasce un effetto magnetocalorico – si riscalda. Questo calore viene rimosso da uno scambiatore di calore raffreddato ad acqua. Quando il gadolinio lascia la zona del campo magnetico, sorge un effetto magnetocalorico di segno opposto e il materiale viene ulteriormente raffreddato, raffreddando lo scambiatore di calore con il secondo flusso d’acqua che vi circola. Questo flusso, infatti, viene utilizzato per congelare la camera di raffreddamento del frigorifero magnetico. Tale dispositivo è compatto e funziona in modo praticamente silenzioso e senza vibrazioni, il che lo distingue dai frigoriferi attualmente utilizzati con un ciclo vapore-gas. Per la prima volta, questa tecnologia è stata approvata nel settembre 2001. Attualmente, si sta lavorando per espandere ulteriormente le sue capacità: si sta migliorando il processo tecnologico di produzione commerciale del gadolinio puro e dei suoi composti necessari, che permetterà di ottenere un valore maggiore del MCE a un costo inferiore. Contemporaneamente, il personale del laboratorio Ames ha costruito un magnete permanente, capace di creare un forte campo magnetico. Il nuovo magnete crea un campo due volte più forte del magnete nella precedente costruzione del frigorifero magnetico (nel 2001). È molto importante perché la grandezza del campo magnetico determina parametri come l’efficienza e la potenza di uscita del frigorifero. Sono state depositate domande di brevetto per la preparazione di un composto per la sostanza di lavoro Gd5 (Si2Ge2) e la costruzione di un magnete permanente.

Avantaggi, svantaggi e applicazioni

Tutti i frigoriferi magnetici possono essere divisi in due classi secondo il tipo di magneti usati:

• sistemi che usano magneti superconduttori;
• sistemi sui magneti permanenti.

I primi hanno una vasta gamma di temperature di funzionamento e una potenza di uscita relativamente alta. Possono essere utilizzati, per esempio, nei sistemi di condizionamento dell’aria nei grandi locali e per le attrezzature di conservazione degli alimenti. I sistemi di raffreddamento a magnete permanente hanno una gamma di temperatura relativamente limitata (non più di 303 °K per ciclo) e, in linea di principio, possono essere utilizzati nei dispositivi con una potenza media (fino a 100 watt). Per esempio, come un refrigeratore per auto o un frigorifero portatile da picnic. Tuttavia, entrambi hanno una serie di vantaggi rispetto ai tradizionali sistemi di refrigerazione a ciclo combinato:

• Basso rischio ambientale. Il corpo di lavoro è solido e può essere facilmente isolato dall’ambiente. I metalli lantanidi usati come corpi di lavoro sono a bassa tossicità e possono essere riutilizzati dopo lo smaltimento del dispositivo. Il mezzo che elimina il calore deve avere solo una bassa viscosità e una sufficiente conducibilità termica, che corrisponde bene alle proprietà dell’acqua, dell’elio o dell’aria. Sono ben compatibili con l’ambiente.

• Alta efficienza. Il riscaldamento e il raffreddamento magnetocalorico sono processi termodinamici praticamente reversibili, in contrasto con il processo di compressione del vapore nel ciclo di lavoro di un frigorifero a ciclo combinato. Calcoli teorici e studi sperimentali dimostrano che i gruppi di raffreddamento magnetici sono caratterizzati da una maggiore efficienza e In particolare, nel campo delle temperature ambiente, i frigoriferi magnetici sono potenzialmente più efficaci del 20-30% rispetto a quelli funzionanti nel ciclo gas-vapore. La tecnologia del raffreddamento magnetico in futuro può essere molto efficace, il che ridurrà significativamente il costo di tali impianti.

• Lunga durata di vita. La tecnologia comporta l’uso di un piccolo numero di parti mobili e poche frequenze operative nei dispositivi di raffreddamento, il che riduce significativamente la loro usura.

• La flessibilità della tecnologia. È possibile utilizzare i diversi disegni di frigoriferi magnetici a seconda dello scopo.

• Proprietà utili di congelamento. La tecnologia magnetica permette il raffreddamento e il congelamento di varie sostanze (acqua, aria, prodotti chimici) con piccole modifiche in ogni caso. Al contrario, un efficiente ciclo di raffreddamento a ciclo combinato richiede molte fasi segregate o una miscela di diversi refrigeranti di lavoro per la stessa procedura.

• Rapidi progressi nello sviluppo della superconduttività e il miglioramento delle proprietà magnetiche dei magneti permanenti sono. Attualmente, un intero numero di note aziende commerciali sono impegnate con successo nel miglioramento delle proprietà dei magneti NdFeB (i magneti permanenti più efficienti) e stanno lavorando sulle loro costruzioni. Insieme ai noti progressi nel campo della superconduttività, questo permette di sperare in un miglioramento della qualità dei frigoriferi magnetici e nel loro contemporaneo abbassamento dei costi.

Svantaggi del raffreddamento magnetico