Систематизация магнитокалорических материалов для систем охлаждения

Пригодность материала для целей магнитного охлаждения в конечном итоге определяется различными параметрами. Необходимо подобрать правильное сочетание свойств материала, чтобы он мог составить конкуренцию хорошо зарекомендовавшим себя традиционным технологиям охлаждения

Уже в этом столетии, примерно в 2060 году, может произойти изменение устоявшейся модели глобального потребления энергоресурсов: на охлаждение будет расходоваться больше энергии, чем на отопление. Распространение охлаждающих устройств в нашей повседневной жизни вызывает быстро растущее негативное воздействие на окружающую среду. Новые процессы охлаждения, такие как магнитное, могут смягчить это влияние. Исследователи внимательно изучили самые перспективные материалы, существующие сегодня. Результатом их работы стало появление систематизированных данных, опубликованных в журнале Advanced Energy Materials [1]. Они характеризуют 14 различных семейств магнитокалорических материалов.

Традиционное искусственное охлаждение с использованием сжатия газа применяется в домашних хозяйствах и коммерческих объектах около ста лет. И за это время используемая технология охлаждения практически не изменилась. По оценкам экспертов, сегодня во всем мире используется около миллиарда холодильников, работающих за счет этой технологии, и их число постоянно растет. «В некоторых случаях на системы охлаждения приходится наибольшая часть бытового потребления энергии. Загрязнение окружающей среды, вызванное использованием обычных охлаждающих жидкостей, также вызывает немало проблем».

Магнитокалорический эффект, который может стать основой будущих технологий охлаждения, представляет собой процесс, при котором определенные элементы и сплавы внезапно изменяют свою температуру под воздействием магнитного поля. На данный момент известен уже целый ряд таких магнитокалорических веществ. «Но подходят ли они для крупномасштабного бытового и промышленного применения?» - это совершенно другой вопрос.

База данных веществ для создания охлаждающих материалов

Чтобы ответить на этот вопрос, ученые начали сбор данных о свойствах магнитокалорических веществ. Однако они быстро столкнулись с трудностями. «Они были особенно удивлены тем, что в специальной литературе можно найти лишь несколько результатов прямых измерений». «В большинстве случаев эти параметры были получены косвенно из наблюдаемых данных намагниченности материалов. Было обнаружено, что ни условия измерения, такие как сила и характеристики приложенного магнитного поля, ни режимы измерения, были несопоставимы. Поэтому представленные в этих источниках результаты не соответствуют действительности».

Чтобы устранить несоответствия в ранее опубликованных работах, ученые разработали собственную программу измерений. Объединив высокоточные измерения с термодинамическими принципами, исследователи смогли создать структурированный набор данных.

Материалы, содержащие гадолиний

Пригодность материала для целей магнитного охлаждения в конечном итоге определяется различными параметрами. Необходимо подобрать правильное сочетание свойств материала, чтобы он мог составить конкуренцию хорошо зарекомендовавшим себя традиционным технологиям охлаждения. «Изменение температуры материала, находящегося в комнатных условиях, должно быть большим, чтобы был достигнут нужный эффект».

Для того чтобы в будущем можно было наладить массовое производство этих веществ, они должны быть безвредными как для окружающей среды, так и для здоровья человека. Кроме того, для их производства должно использоваться доступное сырье. При общей оценке технологических процессов этим аспектом часто пренебрегают. Одного внимания к физическим свойствам материалов сегодня уже недостаточно.

Если материал использовать при температуре окружающей среды, то магнитокалорическим эталоном все еще является гадолиний. Если этот редкоземельный элемент попадает в магнитное поле величиной 1 тесла (1 Тл), ученые фиксируют изменение его температуры почти на 3 градуса по Цельсию. Учитывая экономическую привлекательность будущих магнитных охлаждающих устройств, создание поля такой напряженности, скорее всего, будет зависеть от коммерческой целесообразности использования соответствующих постоянных магнитов.

Подходящие материалы: взгляд в будущее

Несмотря на выдающиеся свойства гадолиния, перспективы его использования в бытовых охлаждающих устройствах малореалистичны. Этот элемент является одним из тех редкоземельных металлов, которые классифицируются как критические, когда речь идет о надежных и долгосрочных поставках. При одинаковой конструкции теплообменники из железо-родиевых сплавов могут рассеивать даже большее количество тепла за один цикл охлаждения. Тем не менее, родий из платиновой группы также находится в списке дефицитного сырья.

Исследователи нашли новые магнитокалорические материалы с многообещающими характеристиками, которые будут доступны в ближайшем будущем. Интерметаллические соединения, состоящие, например, из лантана, железа, марганца и кремния, где в кристаллической решетке содержится водород, превосходят гадолиний с точки зрения рассеивания тепла.

Ссылки:

1. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/aenm.201901322

Источник: Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)