Kwestia chłodzenia stała się dziś jednym z najtrudniejszych problemów klimatycznych, bo urządzenia, które utrzymują naszą żywność czy budynki w znośnej temperaturze, jednocześnie wypuszczają do atmosfery silne gazy cieplarniane i znacznie zwiększają zapotrzebowanie na energię elektryczną podczas fal upałów. Świat ewidentnie potrzebuje więcej chłodzenia w coraz gorętsze lata, ale musi dostarczyć ten komfort bez kopiowania zanieczyszczającej logiki epoki paliw kopalnych. Ta sprzeczność otworzyła drzwi technologiom, które jeszcze niedawno istniały przede wszystkim w laboratoriach fizycznych.
Jedną z najciekawszych jest chłodzenie magnetyczne, które zastępuje klasyczną pętlę sprężanego gazu stałymi stopami metali, nagrzewającymi się i schładzającymi w zmiennym polu magnetycznym. Na papierze obiecuje to wyższą sprawność, brak wycieków czynnika chłodniczego i sposób na pogodzenie się z coraz ostrzejszymi globalnymi regulacjami dotyczącymi super szkodliwych gazów.
Pierwiastki ziem rzadkich, rozgrzane metale i zero gazu. Oto kulisy koreańskiej próby wynalezienia chłodnictwa na nowo
Naukowcy z Korea Institute of Materials Science poinformowali świat o pierwszej w Korei Południowej platformie chłodzenia magnetycznego obejmującej cały cykl pracy, bo od materiałów chłodniczych, przez elementy o konkretnych kształtach, po małe moduły testowe zamykające obieg. Nie jest to lodówka ani pompa ciepła, którą można kupić w sklepie, ale zdecydowanie bliżej jej do przemysłowego projektu niż do pojedynczej pokazowej próbki, co ma znaczenie dla technologii, która od lat zmaga się ze skalowaniem.
Czytaj też: Natura podpowiada atomowi jak być wydajniejszym. Naukowcy odkryli sposób na potrojenie mocy reaktorów
U podstaw leży efekt magnetokaloryczny. Gdy silne pole magnetyczne uporządkuje spiny atomowe w odpowiednim stopie, materiał się nagrzewa, a gdy pole zostaje wyłączone, a spiny ponownie się rozpraszają, to materiał ochładza się poniżej temperatury początkowej. Cykliczne wprowadzanie stałego czynnika chłodniczego do pola magnetycznego i wyprowadzanie go z niego, odpowiednio sprzężone z wymiennikami ciepła, pozwala inżynierom przenosić ciepło bez udziału gazowego czynnika roboczego.
W swoim eksperymencie koreański zespół skupił się na stopach na bazie lantanu i manganu, wykorzystując gadolin jako punkt odniesienia. Zajął się bardzo praktycznym wąskim gardłem, bo nadaniem kruchym, wysokowydajnym materiałom przydatnych kształtów. Dzięki walcowaniu na gorąco, ciągnieniu na zimno i obróbce mikrokanalików, specjaliści uzyskali arkusze na bazie lantanu o grubości około 0,5 milimetra oraz druty gadolinowe o średnicy około 1 milimetra, czyli w wymiarach zaczynających przypominać rzeczywiste moduły pomp ciepła o dużej powierzchni wymiany i dobrym kontakcie termicznym.
Czytaj też: Stary dom i pompa ciepła to dobry duet? Naukowcy przez 4 lata badali 77 instalacji
Wiele najsilniejszych materiałów magnetokalorycznych opiera się na pierwiastkach ziem rzadkich, co natychmiast podnosi znane obawy o koszt, wpływ wydobycia i ryzyko zaburzeń dostaw. Wcześniejsze analizy ostrzegały, że chłodziarki mocno oparte na pierwiastkach ziem rzadkich mogą po prostu przenieść ciężar środowiskowy wyżej w całym łańcuchu, bo do etapu pozyskiwania surowców. Stawiając jednak na stopy manganowe pozbawione pierwiastków ziem rzadkich i dostrajając ich histerezę termiczną oraz anizotropię magnetyczną, KIMS próbuje utrzymać wysoką wydajność, a jednocześnie poluzować tę zależność.
Żeby przełożyć materiały na dane użyteczne dla inżynierów, zespół zbudował także stanowisko pomiarowe, które bezpośrednio śledzi adiabatyczne zmiany temperatury w gotowych komponentach, a nie tylko w mikroskopijnych próbkach. Pozwala to zobaczyć, jak każdy etap wytwarzania wpływa na osiągi, a tym samym współprojektować materiały oraz moduły, co jest warunkiem koniecznym do potencjalnego rozpowszechnienia tego typu rozwiązań chłodniczych. Czas jednak tylko pokaże, czy ten sukces naukowy zostanie przełożony na coś praktycznego.