Este extrem de relevant să se creeze în prezent un frigider compact, ecologic, eficient din punct de vedere energetic și foarte fiabil, care să funcționeze în intervalul de temperatură al camerei. Această sarcină se datorează unei serii de pretenții serioase față de sistemele de răcire existente. Se știe că, la funcționarea frigiderelor utilizate în prezent, pot exista scurgeri de gaze de lucru (agenți frigorifici) care provoacă probleme grave de mediu, cum ar fi epuizarea stratului de ozon și încălzirea globală sunt posibile. Dintre o varietate de tehnologii alternative care ar putea fi utilizate în dispozitivele de răcire, tot mai multă atenție din partea cercetătorilor din întreaga lume este atrasă de tehnologia răcirii magnetice. În multe laboratoare și universități din Europa, SUA, Canada, China și Rusia se lucrează intensiv la răcirea magnetică.

Un frigider magnetic este un dispozitiv ecologic și permite reducerea semnificativă a consumului de energie. Această din urmă circumstanță este extrem de importantă având în vedere numărul cu adevărat uriaș de aparate frigorifice folosite de om în diverse domenii de activitate. Tehnologia de răcire magnetică se bazează pe capacitatea oricărui material magnetic de a-și modifica temperatura și entropia sub influența unui câmp magnetic. Această capacitate se manifestă atunci când se comprimă sau se dilată gazul sau aburul în frigiderele tradiționale. O astfel de modificare a temperaturii sau entropiei materialului magnetic ca urmare a modificării intensității câmpului magnetic se numește efect magnetocaloric (denumit în continuare MCE).
Modificarea temperaturii materialului magnetic este rezultatul redistribuirii energiei interne a substanței magnetice între sistemul de momente magnetice ale atomilor săi și rețeaua cristalină. Valoarea maximă a MCE se obține în materialele ordonate magnetic, cum ar fi feromagneții, antiferomagneții etc., situate la temperaturi de tranziție de fază magnetică (temperaturi de ordonare magnetică – Curie, Neel etc.).
Principalul avantaj al dispozitivelor pentru răcire magnetică este asociat cu o densitate mare a materialului de transfer de căldură – un corp solid în comparație cu densitatea aburului sau a gazului. Schimbarea entropiei pe unitatea de volum în materialele magnetice solide este de șapte ori mai mare decât într-un gaz. Acest lucru permite făcând posibilă proiectarea unor frigidere care sunt mai compacte. Mediul de lucru magnetic în sine servește ca un analog al agenților frigorifici utilizați în instalațiile frigorifice tradiționale cu ciclu combinat. Mai mult, procesul de demagnetizare-magnetizare este analog cu ciclurile de compresie-expansiune. Eficiența oricărui frigider este determinată în principal de cantitatea de muncă ireversibilă efectuată în timpul ciclului – pentru dispozitivele eficiente, aceasta ar trebui să fie cât mai mică posibil. Într-un frigider încălzit cu gaz, există dispozitive care produc o cantitate semnificativă de muncă ireversibilă – un regenerator, un compresor și schimbătoare de căldură.
O mare parte din munca ireversibilă se face în schimbătoarele de căldură. Ea este direct proporțională cu variația adiabatică a temperaturii fluidului de lucru. Ea este mult mai mare într-un gaz decât într-un material magnetic. Din această cauză, cea mai eficientă disipare a căldurii se realizează cu ajutorul celor magnetice, în special în ciclul de refrigerare regenerativă. Proiectarea specială a schimbătorului de căldură și utilizarea unui regenerator cu o suprafață mare fac posibilă realizarea unei mici părți de lucru ireversibil în timpul răcirii magnetice. Eficiența ciclului de răcire magnetică regenerativă în intervalul de temperatură de la 4,5 la 300 0K poate fi de la 38 la 60% din ciclul Carnot (aproximativ 52% eficiență în intervalul de temperatură de la 20 la 150 0K și aproximativ 85% în intervalul de la 150 la 300 0K). Astfel, în toate etapele ciclului, condițiile de transfer de căldură vor fi cele mai bune cunoscute până în prezent. În plus, frigiderele magnetice includ un număr mic de piese mobile, funcționează la frecvențe joase, ceea ce permite reducerea la minimum a uzurii frigiderului și creșterea duratei de funcționare a acestuia.

Cronologia acestei probleme. Principiile de bază ale răcirii magnetice

1. Warburg a descoperit MCE cu relativ mult timp în urmă, în 1881. El a observat cum, sub acțiunea unui câmp magnetic, proba de fier se încălzește, sau se răcește. Acest om de știință a ajuns la concluzia că modificarea temperaturii probei este o consecință a modificării energiei interne a unei substanțe, având o structură magnetică, sub influența unui câmp magnetic.

Cu toate acestea, era încă departe până la utilizarea practică a acestui fenomen. Langevin (în 1905) a fost primul care a demonstrat că modificarea magnetizării unui paramagnet conduce la o modificare reversibilă a temperaturii unei probe. Răcirea magnetică propriu-zisă a fost propusă la aproape 50 de ani după descoperirea MCE, de către doi oameni de știință americani, Peter Debye (în 1926) și William Giauque (în 1927), independent unul de celălalt, ca mod de a atinge temperaturi sub punctul de fierbere al heliului lichid. Jiok și McDougall au fost primii care au demonstrat cel mai simplu experiment de refrigerare magnetică în 1933. Puțin mai târziu, acest lucru a fost realizat și de către de Haas (în 1933) și Kurti (în 1934). În cadrul acestui experiment, a fost posibil să se atingă o temperatură de 0,25 0K. În plus, ca substanță de transfer de căldură, s-a folosit heliu lichid pompat la o temperatură de 1,5 0K.
Pilula cu sare magnetică se afla în stare de echilibru termic cu materialul de răcire a căldurii, în timp ce în solenoid exista un câmp magnetic puternic. Ori de câte ori solenoidul s-a descărcat, pastila magnetică a devenit izolată termic și temperatura sa a scăzut. O astfel de tehnică, numită răcire prin demagnetizare adiabatică, este o tehnică standard de laborator, utilizată pentru obținerea temperaturilor foarte scăzute. Cu toate acestea, capacitatea unui astfel de frigider și intervalul său de temperatură de funcționare sunt prea mici pentru aplicațiile industriale. Metode mai complexe, cu regenerare termică și modificări ciclice ale câmpului magnetic, au fost propuse în anii ’60 ai secolului trecut. În 1976, J. Brown (de la NASA) a demonstrat un frigider magnetic regenerativ, care funcționa la un interval de temperatură de lucru de 50 0K deja la temperatura camerei. Cu toate acestea, puterea frigiderului și eficiența acestuia erau încă scăzute în acest caz, deoarece gradientul de temperatură trebuia să fie menținut prin amestecarea radiatorului cu fluid, iar timpul necesar pentru încărcarea și descărcarea magnetului era prea mare.

Dispozitivele mici de refrigerare de mică putere au fost construite în anii ’80 și ’90 în mai multe centre de cercetare: Los Alamos National Lab, Laboratorul Marinei de la Annapolis, Oak Ridge National Lab, Astronautics (toate din SUA), Toshiba (Japonia). În prezent, mai multe centre de cercetare NASA finanțează lucrări cu frigidere magnetice compacte pentru aplicații spațiale pe principiul operațiunilor de demagnetizare adiabatică. Astronautics Corporation of America (SUA, Wisconsin) și Universitatea din Victoria (Canada) efectuează studii privind posibilitățile frigiderelor magnetice pentru aplicații comerciale. Cercetarea materialelor pentru un corp solid funcțional al frigiderelor magnetice din punct de vedere aplicativ se desfășoară în prezent în mod intensiv de către „Ames Laboratory” (Ames, Iowa), „University of Three Rivers” din Quebec (Canada), NIST (Gaithersburg, MD) și compania „Advanced Magnetic Technologies and Consulting” (AMT&C).
În 1997, ‘Astronautics Corporation of America’ a demonstrat un frigider magnetic relativ puternic (600-Watt) care funcționează la o temperatură apropiată de cea a camerei. Eficiența acestui frigider era deja comparabilă cu cea a frigiderelor convenționale cu freon. Acest dispozitiv, care folosea un regenerator magnetic activ (în care se combină funcțiile unui regenerator termic și ale unui mediu de lucru), a funcționat timp de peste 1500 de ore în domeniul temperaturii camerei, la o putere de 600 de wați. Randamentul a fost de aproximativ 35% în raport cu ciclul Carnot la un câmp magnetic de cinci Tesla. În acest dispozitiv, a fost utilizat ca solenoid supraconductor și, ca și corp solid de lucru, metalul de pământuri rare de gadoliniu (Gd). Un gadoliniu pur a fost utilizat în această calitate nu numai de către Astronautică, ci și de către NASA, Marina și alte laboratoare, ceea ce se datorează proprietăților sale magnetice, și anume – o temperatură Curie adecvată (aproximativ 293 0K) și o prezență a efectului magnetocaloric destul de semnificativă. Mărimea MCE și, prin urmare, eficiența procesului de răcire într-un frigider magnetic, este determinată de proprietățile corpurilor de lucru magnetice.
În 1997, Centrul de Cercetare Ames a raportat descoperirea a patru efecte magnetocalorice gigantice în compușii Gd5 (Si2Ge1-X). Temperatura de ordonare magnetică a acestor materiale poate varia pe o gamă largă, de la 20 0K la temperatura camerei, datorită modificării raportului dintre siliciu (Si) și germaniu (Ge). Cele mai promițătoare pentru a fi utilizate ca și corpuri solide de lucru sunt în prezent gadoliniul metalic, o serie de compuși intermetalici pe bază de elemente de pământuri rare, un sistem de compuși siliciu-germanide Gd5 (Ge-Si) 4 și, de asemenea, La (Fe-Si) 13. Utilizarea acestor materiale permite extinderea intervalului de temperatură de lucru al frigiderului și îmbunătățirea semnificativă a indicatorilor săi economici. Trebuie remarcat faptul că lucrările de pionierat privind căutarea unor aliaje eficiente pentru frigiderele magnetice care funcționează cu corpuri solide au fost realizate cu câțiva ani mai devreme la Departamentul de Fizică al Universității din Moscova. Cele mai complete rezultate ale acestor cercetători sunt prezentate în teza de doctorat a cercetătorului asociat principal al Facultății de Fizică a Universității de Stat din Moscova, A.M. Tișina, în 1994.

În cursul acestei lucrări au fost analizate numeroase combinații posibile de metale din pământuri rare și magnetice și alte materiale din punctul de vedere al căutării aliajelor optime pentru realizarea răcirii magnetice în diferite intervale de temperatură. S-a constatat, în special, că dintre materialele cu proprietăți magnetocalorice ridicate, compusul Fe49Rh51 (aliaj fier-rodiu) are cel mai mare efect magnetocaloric specific (adică pe unitate de câmp magnetic). MCE specific pentru acest compus este de câteva ori mai mare decât în cazul compușilor siliciuri-germanide. Acest aliaj nu poate fi utilizat în practică din cauza costului său ridicat și a absenței în el a unor efecte de histerezis semnificative. Cu toate acestea, el poate servi ca un fel de standard cu care se pot compara proprietățile magnetocalorice ale materialelor studiate. În sfârșit, Science News (v.161, n.1, p.4, 2002) a raportat crearea primului aparat frigorific din lume (care este aplicabil nu numai în scopuri științifice, ci și în scopuri casnice). Un model funcțional al unui astfel de frigider a fost fabricat în comun de Astronautics Corporation of America și Ames Laboratory și a fost demonstrat pentru prima dată la Conferința G8 de la Detroit, în mai 2002. Prototipul funcțional al frigiderului magnetic de uz casnic propus funcționează în intervalul temperaturilor ambientale și utilizează un magnet permanent ca sursă de câmp. Acest dispozitiv a primit aprecierea înaltă din partea experților și a secretarului american al energiei. Estimările arată că utilizarea frigiderelor magnetice va reduce consumul total de energie în SUA cu 5%. Se preconizează, că răcirea magnetică poate fi utilizată în diverse domenii ale activității umane, de exemplu, în:

• lichidatoare de hidrogen,
• dispozitive de răcire pentru calculatoare de mare viteză și dispozitive bazate pe SQUID-uri,
• climatizatoare de aer pentru spațiile rezidențiale și industriale,
• sisteme de răcire pentru vehicule,
• frigidere casnice și industriale etc.

Trebuie remarcat faptul că lucrările privind frigiderele magnetice sunt finanțate de Departamentul de Energie al SUA deja de 20 de ani.

Structura de construcție a frigiderului

În prototipul creat al frigiderului magnetic, se folosește un aranjament de construcție cu roți rotative. Aceasta constă dintr-o roată care conține segmente cu pulbere de gadoliniu, precum și magnetul permanent puternic.

Această construcție este proiectată în așa fel încât roata să se deruleze prin întrefierul de lucru al magnetului, în care este concentrat câmpul magnetic. Atunci când un segment cu gadoliniu intră în câmpul magnetic al gadoliniului, apare un efect magnetocaloric – acesta se încălzește. Această căldură este eliminată de un schimbător de căldură răcit cu apă. Când gadoliniul părăsește zona câmpului magnetic, apare un efect magnetocaloric de semn opus și materialul se răcește în continuare, răcind schimbătorul de căldură cu al doilea flux de apă care circulă în el. Acest flux, de fapt, este utilizat pentru a îngheța camera de răcire a frigiderului magnetic. Un astfel de dispozitiv este compact și funcționează practic fără zgomot și fără vibrații, ceea ce îl deosebește de frigiderele cu ciclu abur-gaz utilizate în prezent. Pentru prima dată, această tehnologie a fost aprobată încă din septembrie 2001. În prezent, se lucrează la extinderea în continuare a capacităților sale: procesul tehnologic de producție comercială a gadoliniului pur și a compușilor săi necesari este în curs de îmbunătățire, ceea ce va permite obținerea unei valori mai mari a MCE la un cost mai mic. În același timp, personalul laboratorului Ames a construit un magnet permanent, capabil să creeze un câmp magnetic puternic. Noul magnet creează un câmp de două ori mai puternic decât magnetul din construcția anterioară a frigiderului magnetic (în 2001). Este foarte important, deoarece magnitudinea câmpului magnetic determină parametri precum eficiența și puterea de ieșire a frigiderului. Au fost depuse cereri de brevet pentru prepararea unui compus pentru substanța de lucru Gd5 (Si2Ge2) și pentru construcția unui magnet permanent.

Avantaje, dezavantaje și aplicații

Toate frigiderele magnetice pot fi împărțite în două clase în funcție de tipul de magneți utilizați:

• sisteme care utilizează magneți supraconductori;
• sisteme pe magneți permanenți.

Primele dintre ele au o gamă largă de temperaturi de funcționare și o putere de ieșire relativ mare. Ele pot fi utilizate, de exemplu, în sistemele de aer condiționat din spațiile mari și pentru echipamentele de depozitare a alimentelor. Sistemele de răcire cu magneți permanenți au un domeniu de temperatură relativ limitat (nu mai mult de 303 °K pe ciclu) și, în principiu, pot fi utilizate în dispozitivele cu o putere medie (până la 100 wați). De exemplu, ca un răcitor de mașină sau un frigider portabil pentru picnic sunt. Cu toate acestea, ambele au o serie de avantaje față de sistemele tradiționale de refrigerare cu ciclu combinat:

• Pericol redus pentru mediu. Corpul de lucru este solid și poate fi izolat cu ușurință de mediul înconjurător. Metalele lantanide folosite ca și corp de lucru au o toxicitate scăzută și pot fi refolosite după eliminarea dispozitivului. Mediul de eliminare a căldurii trebuie să aibă doar o vâscozitate scăzută și o conductivitate termică suficientă, ceea ce corespunde bine proprietăților apei, heliului sau aerului. Ele sunt bine compatibile cu mediul înconjurător.

• Eficiență ridicată. Încălzirea și răcirea magnetocalorică sunt procese termodinamice practic reversibile, spre deosebire de procesul de comprimare a vaporilor din ciclul de lucru al unui frigider cu ciclu combinat. Calculele teoretice și studiile experimentale arată că unitățile de răcire magnetice sunt caracterizate de o eficiență mai mare și În special, în domeniul temperaturilor ambientale, frigiderele magnetice sunt potențial cu 20-30% mai eficiente decât sunt cele care funcționează în ciclul gaz-vapori. Tehnologia răcirii magnetice în viitor poate fi foarte eficientă, ceea ce va reduce semnificativ costul acestor instalații.

• Durată lungă de viață. Tehnologia presupune utilizarea unui număr mic de piese mobile și a câtorva frecvențe de funcționare în dispozitivele de răcire, ceea ce reduce semnificativ uzura acestora.

• Flexibilitatea tehnologiei. Este posibil să se utilizeze diferite modele de frigidere magnetice în funcție de scop.

• Proprietăți utile ale congelării. Tehnologia magnetică permite răcirea și înghețarea diferitelor substanțe (apă, aer, substanțe chimice) cu mici modificări în fiecare caz. În schimb, un ciclu eficient de răcire cu ciclu combinat necesită mai multe etape segregate sau un amestec de diferiți agenți de răcire de lucru pentru aceeași procedură.

• Progresele rapide în dezvoltarea supraconductivității și îmbunătățirea proprietăților magnetice ale magneților permanenți sunt. În prezent, un număr întreg de societăți comerciale bine cunoscute sunt angajate cu succes în îmbunătățirea proprietăților magneților NdFeB (cei mai eficienți magneți permanenți) și lucrează la construcțiile acestora. Împreună cu progresele cunoscute în domeniul supraconductivității, acest lucru permite să se spere la o îmbunătățire a calității frigiderelor magnetice și la ieftinirea simultană a acestora.

Dezvantajele răcirii magnetice

.