Investigadors de la UB desenvolupen un nou cicle de refrigeració basat en materials magnètics

El cicle de refrigeració desenvolupat pels investigadors està format per sis passos. En el primer, s’aplica el camp magnètic i el material es refreda; en el següent, s’extreu el camp de manera que el material es manté imantat gràcies a la histèresi. En el tercer pas, s’aplica pressió mecànica sobre el material, la qual cosa permet modificar-ne l’estructura cristal·lina i tornar-lo al seu estat no magnètic alhora que el material s’escalfa. L'efecte de refrigeració té lloc en el quart pas, quan el material absorbeix calor de l’entorn. En el cinquè, s’elimina la pressió i el material es manté en aquest nou estat en el qual ja ha quedat desmagnetitzat. Finalment, l’aliatge lliura calor a l’entorn i així es tanca el cicle.
El cicle de refrigeració desenvolupat pels investigadors està format per sis passos. En el primer, s’aplica el camp magnètic i el material es refreda; en el següent, s’extreu el camp de manera que el material es manté imantat gràcies a la histèresi. En el tercer pas, s’aplica pressió mecànica sobre el material, la qual cosa permet modificar-ne l’estructura cristal·lina i tornar-lo al seu estat no magnètic alhora que el material s’escalfa. L'efecte de refrigeració té lloc en el quart pas, quan el material absorbeix calor de l’entorn. En el cinquè, s’elimina la pressió i el material es manté en aquest nou estat en el qual ja ha quedat desmagnetitzat. Finalment, l’aliatge lliura calor a l’entorn i així es tanca el cicle.
Recerca
(03/10/2018)

Un 17 % de la despesa energètica mundial es destina a la refrigeració domèstica i industrial. Aquest consum sʼestà disparant, principalment en països emergents, i es preveu que en pocs anys la despesa en refrigeració superi la que es dedica a generar calor, a causa sobretot del canvi climàtic. Dʼaltra banda, la tecnologia actual que sʼutilitza en refrigeració està basada en els fluorocarburs, uns gasos que provoquen efecte hivernacle i que en els propers anys sʼhauran de substituir per altres alternatives.

El cicle de refrigeració desenvolupat pels investigadors està format per sis passos. En el primer, s’aplica el camp magnètic i el material es refreda; en el següent, s’extreu el camp de manera que el material es manté imantat gràcies a la histèresi. En el tercer pas, s’aplica pressió mecànica sobre el material, la qual cosa permet modificar-ne l’estructura cristal·lina i tornar-lo al seu estat no magnètic alhora que el material s’escalfa. L'efecte de refrigeració té lloc en el quart pas, quan el material absorbeix calor de l’entorn. En el cinquè, s’elimina la pressió i el material es manté en aquest nou estat en el qual ja ha quedat desmagnetitzat. Finalment, l’aliatge lliura calor a l’entorn i així es tanca el cicle.
El cicle de refrigeració desenvolupat pels investigadors està format per sis passos. En el primer, s’aplica el camp magnètic i el material es refreda; en el següent, s’extreu el camp de manera que el material es manté imantat gràcies a la histèresi. En el tercer pas, s’aplica pressió mecànica sobre el material, la qual cosa permet modificar-ne l’estructura cristal·lina i tornar-lo al seu estat no magnètic alhora que el material s’escalfa. L'efecte de refrigeració té lloc en el quart pas, quan el material absorbeix calor de l’entorn. En el cinquè, s’elimina la pressió i el material es manté en aquest nou estat en el qual ja ha quedat desmagnetitzat. Finalment, l’aliatge lliura calor a l’entorn i així es tanca el cicle.
Recerca
03/10/2018

Un 17 % de la despesa energètica mundial es destina a la refrigeració domèstica i industrial. Aquest consum sʼestà disparant, principalment en països emergents, i es preveu que en pocs anys la despesa en refrigeració superi la que es dedica a generar calor, a causa sobretot del canvi climàtic. Dʼaltra banda, la tecnologia actual que sʼutilitza en refrigeració està basada en els fluorocarburs, uns gasos que provoquen efecte hivernacle i que en els propers anys sʼhauran de substituir per altres alternatives.

Una de les opcions de canvi és la creació de sistemes de refrigeració basats en lʼestat sòlid, i dins dʼaquests, els materials que es basen en lʼús de camps magnètics per refredar són una de les alternatives més ben posicionades. En aquesta línia sʼha desenvolupat una recerca al Departament de Física de la Matèria Condensada de la UB, publicada a Nature Materials i liderada pels catedràtics Lluís Mañosa i Antoni Planes, i el doctorand Adrià Gràcia, en col·laboració amb el professor Oliver Gutfleisch, de la Universitat Tècnica de Darmstadt (Alemanya), i el doctor Tino Gottschall, del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR). Aquests investigadors han dissenyat un cicle de refredament en sis passos basat en la «memòria magnètica» de certs aliatges.

«Certs tipus dʼaliatges, quan són sotmesos a un camp magnètic, queden magnetitzats —fins i tot quan sʼextreu aquest camp magnètic—, i a més, en aquest procés el material es refreda», explica Lluís Mañosa. «El que hem descobert en aquest treball —detalla— és que quan apliquem una pressió exterior podem revertir lʼefecte de la magnetització i tornar el sistema al seu estat original. Aquest pas és necessari per establir un cicle tancat».

El cicle de refrigeració desenvolupat pels investigadors està format per sis passos. En el primer, sʼaplica el camp magnètic i el material es refreda; en el següent, sʼextreu el camp de manera que el material es manté imantat gràcies a la histèresi. En el tercer pas, sʼaplica pressió mecànica sobre el material, la qual cosa permet modificar-ne lʼestructura cristal·lina i tornar-lo al seu estat no magnètic alhora que el material sʼescalfa. L'efecte de refrigeració té lloc en el quart pas, quan el material absorbeix calor de lʼentorn. En el cinquè, sʼelimina la pressió i el material es manté en aquest nou estat en el qual ja ha quedat desmagnetitzat. Finalment, lʼaliatge lliura calor a lʼentorn i així es tanca el cicle.

Per a aquesta recerca, els investigadors han utilitzat un aliatge magnetocalòric de níquel, manganès i indi (Ni-Mn-In) que permet treballar a temperatura ambient. A més, els materials que constitueixen lʼaliatge són de fàcil accés.

Per raons tecnològiques, el cicle de refrigeració magnètica necessita lʼús dʼimants permanents. Aquests imants estan basats en terres rares, uns minerals extremadament costosos i que, a més, s'obtenen mitjançant processos molt contaminants.

«Gràcies a aquest nou pas que hem inclòs en el cicle de refrigeració, es redueix considerablement la mida dels imants que es necessiten, i dʼaquesta manera es guanya competitivitat. Actualment, per a cada part de materials refrigerants es requereix quatre vegades més quantitat dʼimant. El nou cicle és més competitiu, ja que només cal la meitat dʼimant», apunta Antoni Planes. «Un altre dels punts importants —continua lʼinvestigador— és que aquest nou cicle aprofita el fenomen de la histèresi, que habitualment implica una pèrdua dʼenergia».

Actualment, hi ha cert consens a lʼentorn de la idea que aquest tipus de materials magnetocalòrics poden arribar a ser més eficients que els sistemes actuals, i que els dispositius basats en aquests materials podrien arribar a substituir els dʼaquells aparells que no requereixen grans baixades de temperatura, dʼentre 15 i 20 °C, com ara els aires condicionats domèstics.

 

Referència de l'article:

Referència de lʼarticle: T. Gottschall, A. Gràcia-Condal, M. Fries, A. Taubel, L. Pfeuffer, L. Mañosa, A. Planes, K. P. Skokov, O. Gutfleisch: «A multicaloric cooling cycle that exploits thermal hysteresis», Nature Materials 2018. DOI: 10.1038/s41563-018-0166-6