Efekt magnetokaloryczny

Efekt magnetokaloryczny polega na zamianie temperatury materiału magnetycznego pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego. Efekt magnetokaloryczny możemy wykorzystać do zbudowania magnetycznej lodówki, klimatyzatorów, chłodziarek, czy silników cieplnych. Efekt magnetokaloryczny jest również wykorzystywany do uzyskiwania bardzo niskich temperatur rzędu nanokelwinów. Urządzenia działające w oparciu o efekt magnetokaloryczny są energooszczędne i wykonane z przyjaznych środowisku materiałów. Przewiduje się, że opracowanie i wprowadzenie do masowego użytku urządzeń na bazie efektu magnetokalorycznego przyczyni się do zmniejszenia efektu cieplarnianego i zagrażających nam zmian klimatycznych.

Efekt ten opiera się na zmianie entropii magnetycznej materiału poprzez działanie pola magnetycznego. W standardowym scenariuszu dla ferromagnetyka pole magnetyczne powoduje wzrost uporządkowania magnetycznego, a zatem zmniejszenie entropii magnetycznej. W warunkach adiabatycznych całkowita entropia układu pozostaje stała, wiec pozostałe składowe entropii całkowitej, tj. entropia sieciowa i elektronowa, rosną podnosząc w ten sposób temperaturę materiału. Odbierając ciepło z układu, a następnie wyłączając pole magnetyczne, które zwiększa nieporządek magnetyczny i powoduje wzrost wartości entropii magnetycznej, można obniżyć temperaturę materiału. Rysunek 1 przedstawia schematycznie zasadę działania chłodzenia materiału przy wykorzystaniu efektu magnetokalorycznego. Największe zmiany entropii rejestruje się przy przejściach fazowych, zarówno pierwszego, jak i drugiego rodzaju. Potencjalne magnetokaloryczne możliwości materiału charakteryzowane są przez dwa parametry: adiabatyczna zmianę temperatury ΔTad oraz izotermiczna zmianę entropii magnetycznej ΔSM.

Lodówka magnetyczna

Lodówka magnetyczna to urządzenie chłodnicze, które do działania wykorzystuję efekt magnetokaloryczny i bazują na materiale w fazie stałej a nie ciekłej. Chęć wprowadzenia lodówki magnetycznej na rynek konsumencki jest główną siłą napędową badań naukowych nad tym efektem. Badania mają głównie charakter podstawowy, ponieważ jednym z kluczowych elementów  jest odpowiedni materiał magnetokaloryczny. Pierwsze prototypy i patenty na lodówki magnetyczne powstały w latach 70. ubiegłego wieku w USA,  ale istotny rozwój tej technologii nastąpił po roku 2000 wraz z odkryciem gigantycznego efektu magnetokalorycznego w związku Gd5(SiGe)4 [8]. 

Zasadę działania lodówki magnetycznej można przyrównać do zasady działania klasycznej (sprężarkowej) lodówki, która znajduje się w każdym domu. Schemat działania obu lodówek porównano na rysunku 3. W lodówce tradycyjnej medium roboczym jest gaz, który jest na przemian sprężany (+P) i rozprężany (-P) w warunkach adiabatycznych. W trakcie sprężania temperatura gazu rośnie (T+ΔTad), a nadmiar powstałego ciepła (-Q) jest oddawany do otoczenia (dlatego obudowa lodówki jest ciepła). W procesie rozprężania gaz się ochładza (T-ΔTad ) i pobiera ciepło (+Q) z zamkniętej przestrzeni wewnątrz lodówki.  W przypadku lodówki magnetycznej czynnikiem roboczym jest materiał w fazie stałej, który ulega cyklicznemu namagnesowywaniu (+H) i rozmagnesowywaniu (-H). W trakcie tych procesów materiał się nagrzewa bądź chłodzi. W konstruowanych prototypach ciepło jest dostarczane lub odbierane jest za pomocą wody, a cykl magnesowania i rozmagnesowania wykonywany jest kilka razy na sekundę. Na rysunku 4 przedstawiono przykład prototypowego urządzenia wraz z całym niezbędnym osprzętem. 

Wadą klasycznej lodówki jest fakt wykorzystywania związków szkodliwych dla warstwy ozonowej (CFC), niebezpiecznych chemikaliów (NH3) lub gazów cieplarnianych (HCFC i HFC). Ponadto sprawność energetyczna lodówki tradycyjnej jest niska.  Te wady znikają w przypadku lodówek magnetycznych, w których nie wykorzystuje się gazów (do transportu ciepła można użyć zwykłej wody), a sprawność przemiany energetycznej jest nawet do 50% większa niż w przypadku klasycznych lodówek. Główny problem ograniczającym  obecnie powszechne stosowanie lodówek magnetycznych jest brak odpowiedniego materiału magnetokalorycznego z którego można by zbudować odpowiednio wydajną lodówkę. wiele firm i laboratoriów naukowych na całym świecie buduje prototypu takich urządzeń bazując na obecnie znanych nam materiałach. Co więcej, w styczniu 2015 roku na targach elektroniki konsumenckiej (International Consumer Electronics Show  - CES ) w Las Vegas firmy Haier, Astronautics i BASF zaprezentowały pierwszą komercyjną chłodziarkę na wino. Niestety, od tego czasu nic nowego się nie wydarzyło, a sama prezentacja urządzenia została usunięta. 

Materiały magnetokaloryczne

Ponieważ jednym z celów badań nad efektem magnetokalorycznym jest zbudowanie chłodziarki, który pozwoliłaby wyeliminować ciekły hel jako medium chłodnicze, obecnie poszukuje się jak najlepszych materiałów magnetokalorycznych w zakresie od temperatury pokojowej do możliwie jak najniższych temperatur.  Na rysunku 6 zestawiono maksymalne wartości zarejestrowanej zmiany entropii magnetycznej przy zmianie pola magnetycznego o 5 T dla materiałów o najlepszych parametrach magnetokalorycznych w zakresie od 2 do 400 K. Na wykresie przedstawiono tylko wybrane grupy materiałów - jest ich znacznie więcej, a co roku pojawiają się kolejne materiały o lepszych właściwościach. Praca naukowców związanych z tą tematyką polega na poszukiwaniu nowych materiałów magnetokalorycznych, o jak najlepszych właściwościach w szerokim zakresie temperatur. Stosując różne metody syntezy i modyfikacji otrzymuje się nowe związki i stopy, a następnie bada ich właściwości fizyczne i sprawdza czy nadają się do budowy magnetycznych lodówek. 

Pomiar efektu magnetokalorycznego

Kontakt