Sådan køler du mere effektivt:Miljøvenlige køleprocesser

I journalen Anvendt fysik anmeldelser , et internationalt forskerhold fra University of Barcelona, Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), og TU Darmstadts rapport om muligheder for at implementere mere effektive og miljøvenlige køleprocesser. Til dette formål, de undersøgte virkningerne af samtidig at udsætte visse legeringer for magnetiske felter og mekanisk stress.

I fortiden, forskere var hovedsageligt optaget af den velkendte magnetokaloriske effekt, som kan observeres, når visse metaller og legeringer udsættes for et magnetfelt:Materialerne ændrer spontant deres magnetiske rækkefølge såvel som deres temperatur, hvilket gør dem lovende kandidater til magnetiske kølekredsløb. "Det er for nylig blevet fundet, at vi kan øge denne effekt betydeligt i visse materialer ved samtidig at tilføje andre stimuli, såsom et kraftfelt, eller mere specifikt, en mekanisk belastning, " siger Dr. Tino Gottschall fra High Magnetic Field Laboratory (HLD) ved HZDR, beskriver holdets tilgang. Et lille udvalg af sådanne multikaloriske materialer er allerede kendt.

Forskerholdet valgte en speciel nikkel-mangan-indium-legering som et af de mest lovende materialer til deres eksperimenter. Det er en af ​​de magnetiske "formhukommelses" legeringer, hvis hukommelse er et resultat af transformationen af ​​to forskellige krystalgitre:Hvis der er en ekstern stimulus, såsom et magnetfelt, disse strukturer forvandles til hinanden, resulterer i mærkbare ændringer i materialet - f.eks. tydeligt mærkbare formændringer er ikke ualmindeligt. Det særlige ved den valgte forbindelse er, imidlertid, at ved en bestemt temperatur, ved hvilken krystalstrukturerne ændres, forbindelsens magnetiske egenskaber ændrer sig også brat:struktur og magnetisme er stærkt forbundet.

Et specialfremstillet måleapparat

For at bestemme de materialeegenskaber, der er nødvendige for en effektiv køleproces, holdet i Barcelona skulle først udvikle en unik, specielt designet kalorimeter til at måle varme og som muliggør samtidig påføring af et magnetfelt og tryk på prøven. At gøre dette, forskerne udnyttede en velkendt metode fra materialeprøvning og tilpassede den til deres formål, udsætte prøven for enakset mekanisk belastning.

Mens de magnetiske fluxtætheder varierede op til 6 Tesla, hvilket er 120, 000 gange stærkere end Jordens magnetfelt, den påførte maksimale trykspænding var moderate 50 megapascal. For den givne prøvestørrelse, den kraft svarer nogenlunde til en masse på 20 kg. "Man kan lægge den slags pres med hånden. Og det er det afgørende aspekt for fremtidige ansøgninger, fordi sådanne håndterbare mekaniske belastninger er relativt lette at implementere, " forklarer prof. Lluís Mañosa fra universitetet i Barcelona, tilføjer:"Udfordringen for os var at integrere nøjagtige målinger af både trykspænding og belastning i vores kalorimeter uden at forvrænge måleforholdene."

Ønskes:processtyring til praktisk anvendelse

Evaluering af de opnåede resultater var ret kompleks. Forskerne registrerede forskellige parametre samtidigt, såsom temperaturændring, magnetisk fluxtæthed, trykstress, og legeringens entropi under programmerede køle- og opvarmningsfaser nær en bestemt temperatur, ved hvilken det givne materiale oplever transformationer i krystalgitteret, der fører til en ændring i magnetisering. I den anvendte legering, denne proces foregår ved stuetemperatur, hvilket også er fordelagtigt til senere praktisk anvendelse.

Målingerne kortlægger prøvens adfærd i et firedimensionelt rum. At kortlægge dette rum på en meningsfuld måde kræver en række eksperimenter, resulterer i store målekampagner. For prof. Oliver Gutfleisch fra TU Darmstadt, indsatsen er umagen værd:"Samspillet mellem de forskellige stimuli i multikaloriske materialer er næppe blevet undersøgt indtil videre. Vores nikkel-mangan-indium-legering er den bedst undersøgte prototypeforbindelse i denne klasse af materialer til dato. Vores arbejde har udfyldt nogle tomme pletter på dets ejendomskort."

Nu, forskerne kan pragmatisk vurdere fordelen ved yderligere trykbelastning - et centralt forskningsmål for ERC Advanced Grant Project Cool Innov. I en afkølingscyklus med kommercielt tilgængelige neodym permanente magneter, køleeffektiviteten kunne fordobles ved samtidig at anvende et kraftfelt. Teamet antager, at den nye proces også vil være af stor værdi, når de skal søge efter andre lovende kølematerialer til fremtiden.