Магниты вместо углеводородов: магнитная технология может вскоре заменить химические хладагенты в холодильных и морозильных камерах. В этом магнитокалорическом охлаждении вращающиеся магниты обеспечивают охлаждающий эффект. Исследователи в настоящее время разработали метод, который позволяет вырабатывать больше холода, чем раньше. Они хотят в ближайшее время достичь 50 процентов теоретически достижимой эффективности, это будет мировой рекорд.
Потребность в инновационной технологии охлаждения велика. Современные фторсодержащие углеводороды (ГФУ) считаются вредными и способствуют глобальному потеплению, и поэтому могут использоваться только в ограниченной степени. Возможной альтернативой для хладагентов являются такие газы, как пропан или бутан, которые являются легковоспламеняющимися. Особенно для больших систем охлаждения, таких как в супермаркетах, поэтому они не подходят. Поэтому исследователи ищут методы охлаждения, для которых не требуется использование таких средств.
Магнит как охлаждающий помощник
Наиболее подходящим вариантом считается физический эффект, обнаруженный еще в 1917 году: некоторые материалы нагреваются при воздействии магнитного поля. В изменяющихся полях это создает цикл нагрева и охлаждения, который можно использовать для охлаждения. Магнитокалорическое охлаждение рассеивает полученное тепло, поэтому при циклическом охлаждении материал охлаждается.
Однако долгое время не хватало материалов, которые сохраняли бы свои свойства и могли работать при комнатной температуре. Хотя этот эффект наблюдается у железа и никеля, не его недостаточно. Гадолиний, редкоземельный металл, реагирует даже при комнатной температуре, но он слишком редок и дорог для крупномасштабного применения. Лишь в конце 1990-х годов были разработаны первые сплавы, которые являются экономически эффективными и реагируют при низких температурах.
Камерные трубы с водяным паром
Исследователи из Института физических измерений Фраунгофера IPM в настоящее время разработали оптимизированное магнитокалорическое охлаждение с использованием одного из этих сплавов. Они использовали сплав лантан-железо-кремний, который нагревается при воздействии магнитного поля и снова охлаждается при выключении. Однако основным моментом является процесс, с помощью которого полученное тепло рассеивается.
Исследователи используют безвоздушные камерные трубки, в которых магнитокалорический материал находится вместе с небольшим количеством воды. Поскольку вода поглощает много энергии при переходе из жидкого состояния в газообразное, они используют процесс испарения для передачи тепла. Таким образом, тепловая энергия может передаваться очень эффективно.
Цель — 50-процентная эффективность
Для того чтобы водяной пар оптимально проникал в сплав, исследователи придали ему мелкопористую структуру. Чтобы еще больше повысить эффективность отвода тепла, сегменты тепловой трубы расположены по кругу, магнит вращается в центре. Даже сейчас система может работать с очень высокой частотой. Когда демонстрационный образец будет готов к концу года, он должен достичь мощности 300 Вт. Для сравнения, компрессор бытового холодильника имеет мощность от 50 до 100 Вт.
Но исследователи из Фрайбурга хотят еще большего: они поставили перед собой цель побить мировой рекорд по магнитокалорическим системам охлаждения. Долгосрочная цель состоит в том, чтобы достичь 50 % теоретической максимальной эффективности. Сравнимые предыдущие системы сегодня достигают около 30 %.