Como resultado del cambio climático, el crecimiento de la población y las crecientes expectativas con respecto a la calidad de vida, los requisitos de energía para los procesos de enfriamiento están creciendo mucho más rápido en todo el mundo que para la calefacción. Otro problema que afecta a los sistemas de refrigeración actuales es que la mayoría de los refrigerantes causan daños ambientales y a la saludUna nueva tecnología podría proporcionar una solución: la refrigeración utilizando materiales magnéticos en campos magnéticos. Los investigadores de la Technische Universität TU Darmstadt y el Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf HZDR han desarrollado la idea de un ciclo de enfriamiento basado en el 'magnetismomemoria 'de aleaciones especiales. Los resultados experimentales iniciales relevantes ahora se han publicado en la revista Materiales de la naturaleza . El proyecto está financiado por el Consejo Europeo de Investigación ERC.
Las propiedades magnéticas de los metales pueden cambiar cuando se calientan o enfrían. "El hierro, por ejemplo, solo es ferromagnético por debajo de 768 grados centígrados; la temperatura de transformación del níquel es 360 grados centígrados", dice Oliver Gutfleisch, profesor de materiales funcionales en la TUDarmstadt ". Por el contrario, algunas aleaciones se vuelven ferromagnéticas cuando se calientan. Esta transición de fase está conectada con el llamado efecto magnetocalórico: cuando estas aleaciones con memoria de forma se colocan en un campo magnético externo justo debajo de su temperatura de transformación, saltan espontáneamente asu orden magnético y al mismo tiempo se enfrían ", explica Gutfleisch." Cuanto más fuerte es el campo magnético, más se enfrían ".
El Dr. Tino Gottschall, que ahora está investigando en el Laboratorio de campo magnético alto HLD de Dresden del HZDR, y sus colegas han estudiado diferentes aleaciones con memoria de forma y sus propiedades en minucioso detalle: "La aplicación de un campo magnético también puede cambiarotras propiedades, por ejemplo la densidad, razón por la cual algunas aleaciones aumentan su volumen ". Los físicos descubrieron que la presión aplicada externamente puede revertir el proceso de magnetización, haciendo que la aleación se caliente.
ligera presión - gran impacto
Junto con el Prof. Antoni Planes y el Prof. Lluís Mañosa de la Universidad de Barcelona, los científicos lograron proporcionar pruebas experimentales: "Utilizamos una aleación de níquel, manganeso e indio para nuestros experimentos porque su conversión puede activarse en la salatemperatura ", dice Gottschall. Los investigadores generaron el campo magnético utilizando los imanes permanentes más fuertes conocidos hasta la fecha, que contienen el neodimio de metales de tierras raras además de hierro y boro. Pueden generar campos magnéticos hasta una densidad de flujo de 2 teslas -- eso es 40,000 veces más fuerte que el campo magnético de la Tierra. "En tales condiciones, nuestra aleación se enfría varios grados", explica Gottschall. "Las mediciones que hemos realizado en el HLD han demostrado que un milisegundo en el campo magnético ya es suficiente paratransformación permanente "
En el siguiente paso del ciclo de seis pasos, los investigadores eliminaron el elemento de enfriamiento del campo magnético, que retuvo su magnetización. En el paso tres, el disipador de calor entra en contacto con los productos para enfriarse y absorbe su calor.La aleación incluso permanece magnética si el material vuelve a su temperatura original. Esto puede remediarse mediante presión mecánica: en el paso cuatro, un rodillo comprime la aleación con memoria de forma. Bajo presión, cambia a su forma más densa y no magnética y se calientaen el proceso. Cuando se elimina la presión en el paso cinco, el material retiene su estado y permanece desmagnetizado. En el paso final, la aleación libera calor al medio ambiente hasta que ha vuelto a su temperatura inicial y el ciclo de enfriamiento puede volver a comenzar.
Materias primas caras
"Hace solo unos años, las aleaciones con memoria magnética se consideraban inutilizables porque solo se pueden enfriar en el campo magnético una vez", explica Gutfleisch. "La investigación global, por lo tanto, se centró en materiales que no tienen efecto de memoria. Sin embargo, los refrigeradores producidos según este principio tienen un precio ". El elemento más importante en los costos de fabricación son los imanes permanentes necesarios:" En el caso de la magnetización reversible, el efecto de enfriamiento solo dura mientras el elemento de enfriamiento esté expuesto al imáncampo. Incluso en el mejor de los casos, la mitad del refrigerante debe colocarse entre los imanes. Esto significa que necesita cuatro veces más imán permanente que medio refrigerante ". Los imanes de neodimio son los más efectivos, pero también son los máscaro en el mercado. Además, el metal de tierras raras es una materia prima crítica, y se necesitan cantidades considerables de él. Los depósitos más grandes conocidos se encuentran en China, y su extracción causa un considerable impacto ambiental.solución.
Los electroimanes no pueden usarse para enfriamiento magnético. Por razones físicas, el nivel de eficiencia sería menor que con la compresión de vapor, que se usa en miles de millones de refrigeradores y aires acondicionados. Sin embargo, los investigadores están convencidos de que esta tecnología de enfriamiento ya no tieneun futuro: "Simplemente no hay líquidos refrigerantes adecuados", dice Gottschall. "Los refrigerantes usados comúnmente hoy en día son altamente efectivos como medios de transferencia de calor, pero su impacto en el invernadero es mil veces mayor que el del dióxido de carbono. Las licencias de producción parala mayoría de ellos expirarán en Europa en el futuro cercano. El propano o el butano son refrigerantes efectivos, pero forman mezclas altamente explosivas en contacto con el aire. El amoníaco es tóxico y corrosivo. El dióxido de carbono no es especialmente eficiente como refrigerante ".
Usando tierras raras con moderación
Oliver Gutfleisch también está convencido de que el futuro pertenece a los refrigerantes sólidos. "Hemos podido demostrar que las aleaciones con memoria de forma son muy adecuadas para los ciclos de enfriamiento", dice el experto en materiales funcionales: "Necesitamos muchos menos imanes de neodimio, pero podemossin embargo, genera campos más fuertes y un efecto de enfriamiento correspondientemente mayor ". Para 2022, tiene la intención de construir un demostrador en el TU Darmstadt que permita estimar tanto la capacidad de enfriamiento real en condiciones de la vida real como la eficiencia energética del proceso.esto, ha recibido una beca ERC Advanced Grant del European Research Council por un valor total de 2,5 millones de euros en cinco años. La colaboración entre la TU Darmstadt y el HZDR podría ayudar a que el principio sea adecuado para el uso en masa: "Mientras tanto, nosotroshemos encontrado aleaciones que combinan todas las propiedades deseadas, incluido un gran efecto magnetocalórico, sin utilizar tierras raras u otras materias primas críticas ", dice Tino Gottschall,quién quiere explorar los límites físicos de estos materiales en el HLD.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Technische Universitat Darmstadt . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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