Ограничения традиционных холодильных систем
Несмотря на повсеместное использование в быту и промышленности, базовые принципы работы обычных холодильников остаются практически неизменными на протяжении многих лет. Эти устройства продолжают охлаждать продукты с помощью компрессоров и химических хладагентов, что приводит к значительному потреблению электроэнергии и увеличению счетов за коммунальные услуги.
Прорыв в магнитном охлаждении
Европейские исследователи представили инновационную экспериментальную систему охлаждения, основанную на использовании магнитных полей и специальных сплавов, способных менять свою форму. Эта технология открывает новые перспективы для создания энергоэффективных охлаждающих устройств.
Принцип магнитокалорического эффекта
В основе магнитных систем охлаждения лежит магнитокалорический эффект — явление, при котором некоторые материалы изменяют свою температуру под воздействием магнитного поля. Хотя эта технология известна почти столько же, сколько и обычные холодильники, её практическое применение долгое время сдерживалось техническими сложностями, связанными с необходимостью использования сверхпроводящих магнитов, требующих дополнительного охлаждения.
Инновационные материалы и их свойства
Исследователи из Технического университета Дармштадт и Гельмгольц-центра Дрезден-Россендорф (HZDR) в Германии разработали уникальную комбинацию материалов. Они использовали мощные постоянные магниты на основе неодима, железа и бора, а также специальный сплав из никеля, марганца и индия.
Эта комбинация обладает исключительными характеристиками: магниты создают поля в 40 000 раз сильнее земного магнитного поля, а сплав не только охлаждается под воздействием магнитного поля, но и обладает памятью формы — способностью возвращаться к исходной конфигурации после деформации.
Шестиступенчатый цикл охлаждения
Учёные разработали эффективный шестиступенчатый цикл охлаждения:
- Сплав кратковременно подвергается воздействию магнитного поля, что приводит к его намагничиванию и охлаждению
- Охлаждённый сплав отводится от магнита и используется для отвода тепла
- При нагревании сплав сохраняет намагниченность
- С помощью ролика сплав сжимается, меняя форму и теряя магнитные свойства
- При сжатии материал нагревается
- После снятия давления сплав возвращается к исходной форме и температуре, готовясь к новому циклу
Экономические преимущества технологии
Разработка демонстрирует, как использование сплавов с памятью формы позволяет значительно сократить количество дорогостоящих постоянных магнитов в системе охлаждения. По словам руководителя исследования Оливера Гутфлейша, именно магниты являются наиболее затратным компонентом таких установок.
«Наши исследования показали, что сплавы с памятью формы идеально подходят для циклов охлаждения, — отмечает Гутфлейш. — Мы можем использовать меньше неодимовых магнитов, но при этом получать более сильные магнитные поля и, соответственно, более выраженный охлаждающий эффект».
Перспективы развития технологии
Исследовательская группа планирует создать демонстрационный прототип системы к 2022 году, что позволит более точно оценить её охлаждающую способность и энергоэффективность в реальных условиях. Результаты исследования были опубликованы в авторитетном научном журнале Nature Materials, что подчёркивает значимость этого технологического прорыва.