Исследователи разрабатывают магнитный холодильный цикл

Изменение климата, рост населения Земли и растущие требования к жизни ведут к увеличению потребности в энергии для процессов охлаждения. В то же самое время использование различных хладагентов вызывает ущерб окружающей среде и наносит вред здоровью людей. Выходом в данной ситуации может стать новая технология: охлаждение магнитных материалов в магнитных полях.

В Дрезденской лаборатории высокого магнитного поля HZDR ученые изучают потенциал и пределы намагничиваемых материалов. Металлы могут изменять свои магнитные свойства при нагревании или охлаждении. «Железо, например, является ферромагнитным при температурах ниже 768°С, а температура превращения в никеле составляет 360°С», — объясняет Оливер Гутфлейш (Oliver Gutfleisch), профессор функциональных материалов в TU Darmstadt. «С другой стороны, некоторые сплавы становятся ферромагнитными при нагревании. Связанный с этим фазовый переход является так называемым магнитокалорическим эффектом: если эти так называемые сплавы с памятью формы вводятся во внешнее магнитное поле с температурой чуть ниже их температуры превращения, они спонтанно переходят в его магнитную последовательность и одновременно охлаждаются, — говорит Гутфлейш. — Чем сильнее магнитное поле, тем сильнее охлаждение».

Доктор Тино Готтшалл (Tino Gottschall), который в настоящее время проводит исследования в Лаборатории высокого магнитного поля HZDR в Дрездене (HLD), и его коллеги изучали различные сплавы с памятью формы и их свойства до мельчайших деталей: «Намагничивание также может изменять и другие свойства материала, такие как плотность — вот почему некоторые сплавы увеличивают свой объем». Физики также обнаружили, что, прилагая внешнее усилие на сплав, можно добиться размагничивания. При этом сплав нагревается.

Экспериментально это было доказано учеными вместе с профессором Антони Планесом и профессором Луисом Мансосой из Барселонского университета. «Мы использовали сплав никеля, марганца и индий для наших экспериментов, потому что он позволяет инициировать трансформацию при комнатной температуре», — сказал Готтшалл. Ученые создали магнитное поле с самыми мощными постоянными магнитами на сегодняшний день – магнитный сплав кроме железа и бора содержал редкоземельный металл неодим. Это позволило генерировать магнитные поля до плотности потока 2 Тесла – что в 40000 раз больше магнитного поля Земли. «В таких условиях наш сплав остывает на несколько градусов, — говорит Готтшалл. — Когда мы проводили замеры, то обнаружили, что было достаточно одной миллисекунды в магнитном поле для перманентной трансформации».

То есть на первом этапе цикла тело охлаждалось при помощи кратковременного воздействия магнитного поля. Затем на следующем этапе магнитное поле отключается и от сплава отводится холод. Соответственно сплав нагревается, при этом сохраняя остаточную намагниченность. На следующем этапе при помощи специального ролика производится механическое давление на образец. При этом происходит еще больший нагрев образца с потерей остаточной намагниченности. После снятия механического воздействия образец приобретает первоначальную форму и снова готов к новому циклу.

Оливер Гутфлейш убежден, что будущее холодильных установок за твердыми хладагентами.

 «Мы смогли показать, что сплавы с эффектом памяти очень хорошо подходят для схем охлаждения», — резюмирует он.

Уже в скором времени Оливер Гутфлейш планирует создать опытный образец с целью оценки эффективности такого агрегата на практике. На свой проект он получил грант ERC Advanced от Европейского исследовательского совета на общую сумму €2,5 млн на пять лет.