Znajdź zawartość

Lodówka to urządzenie obecne w każdym domu. Od wielu dekad chłodziarki w zasadzie niewiele się zmieniają, a są jedynie udoskonalane. Niemal każda to chłodziarka sprężarkowa (urządzenia absorpcyjne i adsorpcyjne też zaliczają się do sprężarek). Są jeszcze, wykorzystywane w innych dziedzinach, ogniwa Peltiera i to w zasadzie wszystko. Na odległym horyzoncie pojawia się jednak możliwość wykorzystania rozmagnesowywania adiabatycznego. Co to takiego? Rozmagnesowanie adiabatyczne wykorzystuje do chłodzenia tzw. efekt magnetokaloryczny. Choć znany jest on od ponad stulecia, nie znalazł wielu zastosowań, choć przydaje się jako środek pomocniczy, na przykład do osiągnięcia temperatury bliskiej zeru absolutnemu. Problem jest ten sam, co w przypadku praktycznego wykorzystania nadprzewodnictwa - znalezienie odpowiednich materiałów. Efekt magnetokaloryczny to zjawisko, w którym specjalny materiał gwałtownie obniża swoją temperaturę podczas przejścia przez zmienne pole magnetyczne. Proces ten nie wymaga części mechanicznych ani stosowania gazów szkodliwych dla środowiska, aparatura wykorzystująca rozmagnesowanie adiabatyczne nie zużywa się, jest wydajniejsza o 40% od tradycyjnych metod i energooszczędna. Zajmuje także mniej miejsca od sprężarek. Czemu jeszcze nie znalazła powszechnego zastosowania? Żeby można było skonstruować domową lodówkę, potrzebna jest możliwość dość dużego obniżenia temperatury. Dziś, choć znamy sporo metali i ich stopów, które wykazują efekt magnetokaloryczny, żaden z nich nie jest aż tak wydajny, jak potrzeba. Znalezieniem odpowiednich materiałów zajmują się naukowcy z Narodowego Laboratorium Berkeley Lawrence'a (Lawrence Berkeley National Laboratory), między innymi Sujoy Roy, Jeff Kortright i Elizabeth Blackburn. Choć do osiągnięcia celu nadal jest daleko, odnotowali już znaczące sukcesy. Badany przez nich stop niklowo-manganowo-galowy po domieszkowaniu miedzą wykazał bardzo duży efekt magnetokaloryczny. Kłopot w tym, że nie wiadomo, dlaczego taka, czy inna domieszka powoduje taki, czy inny skutek. Zasada działania rozmagnesowania adiabatycznego jest w zasadzie tajemnicą. Sujoy Roy przyłączył się do zespołu Kortrighta i Blackburn właśnie po to, żeby pomóc zgłębić zagadkę. Przy użyciu rentgenowskiej spektroskopii absorpcyjnej i innych zaawansowanych technik badawczych posunięto się do przodu. Badano jak zmieniają się miejscowe właściwości elektryczne i magnetyczne poszczególnych pierwiastków przy zmianach składu stopu. Wiadomo już, że wraz z domieszkowaniem miedzi wiązania pomiędzy nikle i galem stają się mocniejsze, zaś właściwości magnetyczne stopu zmieniają się. Czemu jednak domieszka miedzi stanowi taki dopalacz efektu magnetokalorycznego - nie wiadomo. Jak tłumaczy Roy, badania wciąż znajdują się na bardzo wczesnym stadium. Zrozumienie, co zachodzi na poziome atomów i cząstek, jaka ich właściwość wpływa na siłę efektu pozwoli na opracowanie takich stopów, które pozwolą na zastosowania produkcyjne. Wtedy chłodzenie przez rozmagnesowanie adiabatyczne trafi nie tylko do kuchennych lodówek i zamrażarek, ale też do klimatyzatorów, komputerów i przemysłu. Nie stanie się to na pewno w ciągu najbliższych kilku lat, ale naukowcy są przekonani, że wreszcie to nastąpi.

Niewykluczone, że w niedalekiej przyszłości w naszych kuchniach zagości technologia dostępna obecnie tylko w laboratoriach i niektórych procesach przemysłowych. Domowe lodówki i klimatyzatory powszechnie wykorzystują gazy do osiągnięcia niskiej temperatury. Najczęściej są to gazy szkodliwe dla środowiska, a sama technologia chłodzenia sprężonym gazem w warunkach domowych osiągnęła kres swoich możliwości i nie jesteśmy w stanie jej już udoskonalić. W zmianie sytuacji mogą pomóc prace uczonych z Centrum Badań Neutronowych (NCNR) Narodowego Instytutu Standardów i Technologii (NIST). Opracowali oni nowy stop, który pozwoli na zastąpienie chłodzenia gazowego magnetycznym. Chłodzenie magnetyczne, a ściślej, rozmagnesowanie adiabatyczne polega na zastosowaniu zjawiska magnetokalorycznego. Jest to, jak wyjaśnia Słownik PWN, zmiana temperatury ciała paramagnetycznego lub ferrromagnetycznego przy adiabatycznej zmianie pola magnetycznego, wykorzystywana w laboratoriach do otrzymywania niskich temperatur. Materiały magnetokaloryczne rozgrzewają się pod wpływem pola magnetycznego. Później, gdy oddają ciepło, zanika pole magnetyczne, a temperatura samego materiału dramatycznie spada, pozwalając osiągać w laboratoriach temperatury bliskie zeru absolutnemu. To samo zjawisko można by wykorzystać w domowych lodówkach czy klimatyzatorach. Jednak istnieją dwie poważne przeszkody, które uniemożliwiają zastosowanie rozmagnesowania adiabatycznego w naszych domach. To gadolin i arsen, dwa metale wykorzystywane w stopach magnetokalorycznych. Pierwszy z nich jest bardzo rzadki i drogi, drugi - niezwykle toksyczny. Uczeni z NCNR stworzyli z manganu, żelaza, fosforu i germanu stop magnetokaloryczny. To pierwszy tego typu stop, który nie tylko działa w temperaturze zbliżonej do pokojowej, ale nie zawiera ani drogiego gadolinu, ani toksycznego arsenu. Jest zatem tańszy, bezpieczniejszy, a przy tym ma silne właściwości magnetokaloryczne. Amerykanie we współpracy z naukowcami z Pekińskiego Uniwersytetu Technologicznego zbadali nowy stop i dowiedzieli się, że pod wpływem pola magnetycznego dochodzi do całkowitej zmiany jego struktury krystalicznej, co tłumaczy dobre właściwości magnetokaloryczne. Zrozumienie w jaki sposób zmienia się struktura krystaliczna, pozwoli nam udoskonalić materiał - mówi krystalograf Qing Huang. Ciągle z nim eksperymentujemy - dodaje.