Zvětšit obrázek

Klasická súčasná chladnička: Keď sa stláča plyn, zohrieva sa (2), je nutné ho ochladiť (3) a potom mu umožniť expanziu (zväčšenie objemu - 4), čím výrazne klesne jeho teplota a to ochladzuje vnútorný priestor chladničky, zatiaľ čo v kroku (3) odvedené teplo ohrieva vzduch v miestnosti. Kredit: Talbott, NIST

Chladiace mechanizmy aj tých najmodernejších chladničiek si občas viac či menej hlasno pradú ako spokojná mačka, u starších typov si aj zavrčia. A to energeticky nie práve zanedbateľne.  Cestu k úplne tichým a vraj aj energeticky efektívnejším chladničkám možno dláždi nový typ kovovej zliatiny, ktorá je výsledkom medzinárodnej výskumnej spolupráce zastrešenej Centrom pre neutrónový výskum Národného ústavu pre normy a technológie v americkom štáte Maryland.  Zliatina by mala byť tým dlho hľadaným materiálom, ktorý umožní nahradiť klasické chladenie, založené na cyklickom stláčaní a rozpínaní plynu chladením magnetickým.

Zvětšit obrázek

Magnetická chladnička: Magnetokalorický materiál (a) sa ohrieva pri magnetizácii, keď na neho zvonka pôsobí silné statické dipólové magnetické pole elektromagnetu. Dochádza k usporiadaniu magnetických momentov vo vnútornej štruktúre materiálu (b). Vznikajúce teplo je potrebné odvádzať, čiže namagnetizovaný materiál ochladiť stále pod vplyvom pôsobiaceho poľa (c). Keď sa potom elektromagnet vypne a vonkajšie pole prestane pôsobiť, dochádza k spontánnej demagnetizácii a k prudkému ochladeniu magnetokalorického materiálu (d). V tejto fáze cyklu dochádza k chladeniu vnútorného priestoru chladničky. Kredit: Talbott, NIST

Jeho výhody sú sľubné: nižšia spotreba energie, nižšie náklady na prevádzku, odstránenie chladiacich médií, ktoré sú pre životné prostredie nebezpečné, takmer bezhlučná prevádzka bez vibrácií.

Magnetické chladenie nie je novou metódou. Jej základné princípy boli odhalené už koncom tridsiatych rokov 20. Storočia a prvé funkčné magnetické chladiace zariadenia sa konštruovali o pár rokov neskôr – v rokoch štyridsiatych. Magnetickým poľom sa vedcom podarilo dosiahnuť teplotu, vlastne chlad blízky absolútnej nule. V tejto súťaži mu konkuruje kryogénne (pod 123 K) chladenie na báze zmesi izotopov ³He/⁴He (stručné vysvetlenie v angličtine ). Prečo sa teda elektromagnetické chladenie nevyužíva v domácich chladničkách?  Z dvoch príčin – materiály, ktoré by boli pre tento spôsob chladenia pri izbových teplotách dostatočne účinné sú zároveň neúnosne drahé kovy skupiny vzácnych zemín, akým je gadolínium , alebo, ako napríklad arzén  predstavujú príliš veľké riziko. 

Vedci z troch významných univerzít v čínskom Pekingu (Beijing), v americkom Princetone a v kanadskom Montreale spojili sily ľudského a technického potenciálu. Výsledkom spolupráce je nová zliatina na báze mangánu, železa, fosforu a germánia – Mn_1.1Fe_0.9 (P_0.8Ge_0.2). Je nielen prvým magnetokalorickým materiálom, ktorý má pri bežných izbových teplotách dostatočnú tepelnú odozvu na zmeny magnetického poľa, ale je bezpečný z hľadiska možného ohrozenia zdravia a životného prostredia a navyše  – čo nie je vôbec zanedbateľné – je cenovo oveľa dostupnejší, než doteraz používané zliatiny. Vedci síce výsledky svojej práce už publikovali v prvom tohtoročnom čísle časopisu Physical Review B, ale naďalej budú dolaďovať zloženie zliatiny tak, aby magnetické chladenie malo čo najvyššiu účinnosť.

Zjednodušene o tom, ako zapínaním a vypínaním elektromagnetu vyrábať mráz
Chladenie pomocou magnetického poľa prebieha v cykloch podobne ako funguje kompresia a dekompresia plynu v klasických chladničkách. Namiesto mechanického stláčania a rozpínania plynu však dochádza k magnetizácii a spontánnej demagnetizácii špeciálneho, takzvaného magnetokalorického materiálu. Môže ním byť zliatina feromagnetických a paramagnetických kovov (napríklad zliatina gadolínia, germánia a kremíka Gd₅ (Si₂Ge₂), alebo zliatina prazeodýmia s niklom PrNi₅ , ktorá umožnila dosiahnuť tisíciny Kelvina), ale aj niektoré paramagnetické kryštalické soli, ako napríklad dusičnan cerito-horečnatý, alebo hexahydrát síranu amónno-železnatého [(NH₄)₂Fe(SO₄)₂ x 6H₂O]. Pomocou tohto síranu chladí NASA na palube vesmírnej sondy Astro-E2 röntgenový spektrometer na teplotu 65 miliKelvinov. Základný princíp magnetickej metódy chladenia sa opiera o zvláštnu fyzikálnu vlastnosť magnetokalorického materiálu – mení svoju teplotu v závislosti od intenzity vonkajšieho magnetického poľa. V jeho vnútornej štruktúre sú neviditeľne drobné dipólové elektromagnety. Vysvetlenie ich vzniku vyžaduje znalosti kvantovej fyziky, no zjednodušene  sa dá povedať, že súvisia s charakterom elektrónových obalov a spinom valenčných elektrónov.

Vo feromagnetických materiáloch atómy vytvárajú miniatúrne oblasti, takzvané magnetické domény, v ktorých sa magnetické momenty atómov orientujú rovnakým smerom. V paramagnetických látkach magnetické momenty atómov a molekúl „kopú“ vlastnú ligu. Ak na tieto vnútorné minimagnety v štruktúre materiálu pôsobí len slabé magnetické pole, potom má tepelný pohyb molekúl na svedomí, že sa orientujú chaoticky do ľubovoľného smeru. Ak sa však ocitnú v poli pôsobenia silnejšieho magnetického dipólu, začnú sa orientovať prevažne do smeru jeho siločiar.

Zvětšit obrázek

Náčrt a fotografia chladiča na princípe adiabatickej demagnetizácie. V Goddardovom centre pre vesmírne lety NASA ho vedci a technici vyvinulo pre chladenie röntgenových spektrometrov na palubách vesmírnych sond. Vo vesmíre chladia detektory na teplotu 0,065 Kelvina. V laboratórnych podmienkach však dosiahli teplotu len 0,002 K. Magnetokalorickým materiálom je „salt pill – soľná tabletka“ hexahydrátu síranu amónno-železnatého. Zdroj: stránky Goddard Space Flight Center

Čím je vonkajšie pole silnejšie, tým väčšia usporiadanosť vo vnútri materiálu vzniká – až do dosiahnutia určitého maxima (stavu magnetického nasýtenia). V ideálnom prípade všetky tieto magnetické mini-dipóly majú rovnaký smer. Ak vonkajšie magnetické pole výrazne zoslabne, začne opäť prevládať tepelný pohyb molekúl a deštruovať toto vnútorné magnetické usporiadanie kalorimetrického materiálu späť do chaotického stavu (u feromagnetík pretrváva tzv. remanentná magnetizácia, ale to je už na trochu inú tému). Ako to súvisí s princípom chladenia? Pri orientácii týchto vnútorných mini-dipólov pomocou vonkajšieho magnetického poľa, dodávame látke magnetickú energiu. Tým zvyšujeme jej vnútornú usporiadanosť, čiže znižujeme entropiu (mieru neusporiadanosti) sústavy. Táto magnetická energia sa mení na tepelnú a magnetokalorický materiál sa ohrieva. Vtedy je nevyhnutné vznikajúce teplo odvádzať, čiže materiál chladiť. Ak potom vonkajšie magnetické pole odstránime (napríklad vypnutím elektromagnetu, alebo presunutím permanentného magnetu, alebo samotného kalorimagnetika), materiál sa začne prudko ochladzovať na teplotu nižšiu, než mal na začiatku celého cyklu. Prečo? Keď klesne intenzita pôsobiaceho magnetického poľa, vnútorné vibrácie opäť preorientujú pôvodné usporiadanie dipólov do rôznych smerov. A to vyžaduje energiu. Magnetokalorický materiál má však k dispozícii len dostupné energetické zdroje, čiže vlastnú tepelnú energiu, ktorú musí na deštrukciu usporiadanosti využiť (entropia narastie) a tým sa ochladí. Pretože v predchádzajúcom kroku sme mu teplo odobrali, chladne pod pôvodnú teplotu, než mal na začiatku celého cyklu. V tejto fáze slúži ako chladiace médium.

Ak by sme dovolili teplu, ktoré sme predtým z neho pri chladení odviedli „sa vrátiť“, uzavrel by sa cyklus bez chladiaceho efektu. Presne tak, ako neochladíme, ale naopak ohrejeme miestnosť, keď v nej otvoríme dvere na klasickej chladničke. Každé chladiace zariadenie musí teplo niekam odovzdávať, aby mohlo priestor vo vnútri ochladiť. Preto sa kalorimetrické teleso magnetickej chladničky nachádza v izolovanom prostredí a je cez tepelný „vypínač“ spojené s chladiacou jednotkou. Ak sa zohrieva, vypínač je zapnutý, aby dochádzalo k prenosu tepla od kalorimetrického telesa do chladiacej jednotky. Keď prestane pôsobiť vonkajšie magnetické pole a teleso sa prudko ochladí pri procese tepelnej deštrukcie vnútorného magnetického usporiadania, vypínač je vypnutý, aby sa „nevrátilo“ predtým odobraté teplo. Po vyrovnaní teploty kalorimetrického telesa a chladeného priestoru začína nový cyklus chladenia zapnutím vonkajšieho magnetického poľa. Je to analógia princípu klasickej chladničky, kde magnetické pole nahrádza kompresia chladiaceho plynného média. V súčasnosti sa najviac na tento účel používa k životnému prostrediu prívetivejší tetrafluóretán, ktorý nahradil freón (CCl₂F₂) so zlou povesťou sabotéra ozónovej vrstvy. 

Zdroj:  EurekaAlert!  
Stránky NASA