Jump to content
Forum Kopalni Wiedzy

Recommended Posts

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.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Fajnie, ale w Polsce również badania nad gigantycznym efektem magnetokalorycznym i materiałami, pozwalającymi na zastosowanie go do chłodzenia czy grzania, są dosyć zaawansowane. Polski pomysł polegał na zastosowaniu oprócz standardowego pola magnetycznego również wysokiego ciśnienia. Wysokie ciśnienie z kolei powoduje efekt magnetostrykcji. Synergia jednoczesnego efektu gigantycznego magnetokalorycznego i magnetostrykcji pozwalać ma na znaczące zwiększenie różnicy temperatur dolnego i górnego źródła ciepła.

 

Badania nad materiałami prowadzone są w Instytucie Metali Nieżelaznych w Gliwicach pod kierownictwem dr Kolano.

 

Komercyjne zastosowanie tych materiałów w np. pompach ciepła, pozwoliłoby wyprodukować urządzenie o COP 10-15 zamiast obecnych 2-5. Cena ogrzewania domu jednorodzinnego w porównaniu do gazu spadłaby np. z 7000 rocznie lub w porównaniu do konwencjonalnej pompy - z 3000 zł do 500zł :-)

Share this post


Link to post
Share on other sites

Jeszcze jedno - czy na pewno chodzi o elektromagnes? Wszyscy starają się zastosować magnesy stałe, ze względu na duże koszty stosowania elektromagnesów wytwarzających odpowiednie pole magnetyczne.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Hm. Efekt wymaga zmiennego pola magnetycznego, więc albo coś musi się poruszać (w domowej lodówce, a o to głownie chodziło, chyba mało wykonalne), albo zmienne pole uzyskujemy elektromagnesem. Chyba że można to zrobić inaczej?

 

Przede wszystkim dzięki za ciekawe informacje i rozwinięcie tematu. Szkoda, że polskie instytucje badawcze olewają popularyzację wiedzy o swoich badaniach – gdybym wiedział i mógł wybrać, napisałbym o polskich naukowcach.

Czy wykorzystanie takiego wysokiego ciśnienia byłoby możliwe w warunkach domowych?

Share this post


Link to post
Share on other sites

Hm. Efekt wymaga zmiennego pola magnetycznego, więc albo coś musi się poruszać (w domowej lodówce, a o to głownie chodziło, chyba mało wykonalne), albo zmienne pole uzyskujemy elektromagnesem. Chyba że można to zrobić inaczej?

No właśnie poruszać się musi - czynnik chłodniczy musi przecież znaleźć się raz w obszarze o niższej temperaturze a raz w obszarze o temperaturze wyższej.

 

Realizowane jest to w taki sposób, że kostka z materiału magnetokalorycznego wędruje w obszar pola magnetycznego generowanego przez magnes stały, o natężeniu ok 2 Tesli (górna granice tego, co daje najsilniejszy magnes neodymowy), zmienia swą strukturę krystaliczną (chodzi o wzajemne położenie atomów itp), zmiana struktury wymaga energii, przez co kostka się ochładza poniżej temp. dolnego źródła. Potem mechanizm przesuwa kostkę z powrotem w obszar bez pola ale o wyższej temperaturze - struktura krystaliczna wraca do podstawowego wzorca a nadmiar energii w postaci ciepła przekazywany jest do otoczenia.

 

Problem z doborem materiału jest taki, że różnice temperatur osiągane aktualnie to max 6 stC, co wymusza stosowanie kaskad, co z kolei gwałtownie zmniejsza efektywność urządzenia.

 

Czy wykorzystanie takiego wysokiego ciśnienia byłoby możliwe w warunkach domowych?

 

Tak, to ciśnienie nie powinno przekraczać ciśnienia przy którym pracować mają nowoczesne układy chłodnicze z CO2 jako czynnikiem chłodniczym, czyli kilkanaście barów.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Trudno mi sobie wyobrazić suwanie bryłą metalu w domowej lodówce, zwłaszcza przy obietnicach, że nowa technologia będzie mniejsza, dlatego bardziej prawdopodobny wydaje mi się elektromagnes. Ale możliwe, że w tej chwili nikt się jeszcze nie zastanawia nad szczegółami konstrukcyjnymi, bo to by było dzielenie skóry na niedźwiedziu.

Skoro nie wynika, czy to miałby być magnes stały, czy elektromagnes, to zmodyfikuję tytuł, żeby nie sugerować.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Join the conversation

You can post now and register later. If you have an account, sign in now to post with your account.
Note: Your post will require moderator approval before it will be visible.

Guest
Reply to this topic...

×   Pasted as rich text.   Paste as plain text instead

  Only 75 emoji are allowed.

×   Your link has been automatically embedded.   Display as a link instead

×   Your previous content has been restored.   Clear editor

×   You cannot paste images directly. Upload or insert images from URL.


×
×
  • Create New...