© Fraunhofer IPM Configuración de un sistema de enfriamiento magnetocalórico:Los segmentos que se muestran en gris contienen el material magnetocalórico. Este material se calienta y enfría alternativamente mediante el imán giratorio. Debido a la estructura interna de los segmentos, el calor se transfiere al aire ambiente en el lado derecho mientras que en el lado izquierdo se retira el calor del recipiente para enfriarlo.
Un descubrimiento de 1917 se vuelve viable para el futuro. Un equipo de investigadores del Instituto Fraunhofer de Técnicas de Medición Física IPM está desarrollando sistemas de enfriamiento magnetocalóricos eficientes que se las arreglan sin refrigerantes dañinos. Los investigadores electrónicos esperan alcanzar el 50 por ciento del nivel máximo de eficiencia con su proceso. Los sistemas magnetocalóricos existentes comparables alcanzan solo aproximadamente el 30 por ciento.
Muchos grupos de investigación de todo el mundo están trabajando en refrigeradores, sistemas de refrigeración industrial y aires acondicionados que bombean calor utilizando materiales magnetocalóricos. El ciclo de calentamiento y enfriamiento generado por magnetización es excelentemente adecuado para enfriar. El físico Dr. Kilian Bartholomé y su equipo en el Fraunhofer IPM en Friburgo, Alemania, están utilizando esta tecnología para desarrollar un concepto de conductividad térmica extremadamente eficiente que elimina la necesidad de refrigerantes dañinos para el medio ambiente.
Existe una gran demanda de tecnologías de refrigeración innovadoras, dado que los hidrofluorocarbonos (HFC) convencionales que se utilizan en la actualidad son potentes gases de efecto invernadero. Por esta razón, la UE ha restringido significativamente el uso de HFC. Hay alternativas a los HFC, como los refrigerantes naturales butano y propano, que se utilizan, por ejemplo, en refrigeradores domésticos. Estos gases son inflamables, pero no se considera peligroso en las cantidades utilizadas en refrigeradores domésticos. Todavía, no son una opción viable para sistemas de refrigeración más grandes, como los que se encuentran en los supermercados. La industria está trabajando en refrigerantes alternativos, pero aún tiene que encontrar soluciones convincentes.
Aleación de lantano-hierro-silicio respetuosa con el medio ambiente como material magnetocalórico
Un sistema de enfriamiento magnetocalórico no requiere refrigerantes dañinos en absoluto. Los investigadores están utilizando una aleación de lantano-hierro-silicio respetuosa con el medio ambiente como material magnetocalórico, que se calienta cuando se aplica un campo magnético y se enfría cuando se elimina el campo. Kilian Bartholomé y su equipo han desarrollado y patentado un procedimiento especial para transferir el calor producido.
El sistema de enfriamiento de Bartholomé utiliza calor latente, es decir, la energía requerida por un líquido para convertirse en vapor. "Dado que el agua absorbe mucha energía cuando cambia de estado líquido a gaseoso, utilizamos el proceso de evaporación para transferir el calor, ", dice el físico." Este es un medio muy eficiente de transferir la energía térmica ".
Al decidir utilizar el proceso de evaporación para el transporte de calor, Kilian Bartholomé y su colega Jan König se inspiraron en los tubos de calor utilizados, por ejemplo, como colectores de tuberías en sistemas de energía solar y para enfriar computadoras. Un tubo de calor es un recipiente al vacío, donde se ha encerrado una pequeña cantidad de líquido. Si un lado de la tubería se calienta, el fluido se evapora en este lado calentado y se condensa de nuevo en el lado frío. En el proceso se logran tasas de transmisión de calor muy altas.
El tubo de calor magnetocalórico que se está desarrollando en Fraunhofer IPM, sin embargo, es significativamente más complejo. Consiste en muchas cámaras pequeñas que contienen el material magnetocalórico. La aleación tiene una estructura finamente porosa para que el vapor de agua pueda penetrarla de manera óptima. El método para producir la aleación porosa es el trabajo de la Dra. Sandra Wieland y el Dr. Martin Dressler en el Instituto Fraunhofer de Tecnología de Fabricación y Materiales Avanzados IFAM.
Nuevo récord mundial de sistemas de refrigeración magnetocalóricos
Para aumentar aún más la eficiencia, Bartholomé organiza los segmentos del tubo de calor en un patrón circular y coloca un imán giratorio en el medio. Se espera que el demostrador genere 300 vatios de potencia para cuando esté terminado a fin de año. A modo de comparación:el compresor de un frigorífico doméstico produce de 50 a 100 vatios de potencia. El sistema actual ya funciona a una frecuencia muy alta. Los investigadores de Friburgo planean utilizar el demostrador para batir un récord mundial de sistemas de enfriamiento magnetocalóricos con respecto a la frecuencia del sistema. El objetivo a largo plazo es alcanzar el 50 por ciento del nivel de eficiencia máximo teórico. Los sistemas existentes comparables alcanzan aproximadamente el 30 por ciento.
Los actores de la industria ya están expresando un gran interés en la investigación, por ejemplo Philipp Kirsch GmbH, que fabrica refrigeradores especiales para laboratorios médicos, farmacias y hospitales. La antigua empresa alemana está trabajando junto con Fraunhofer IPM en un proyecto patrocinado por el Ministerio Federal de Economía y Tecnología de Alemania (BMWi). "Queremos poner en el mercado una unidad de menos 86 grados basada en magnetocalóricos, ", dice el director ejecutivo Jochen Kopitzke." Los magnetocalóricos tienen un gran potencial disruptivo y podrían ser capaces de reemplazar el enfriamiento basado en compresores en el marco de tiempo a mediano plazo. Vemos aquí un mercado claramente en desarrollo en el que podemos penetrar ".
Magnetocalóricos:el largo camino hacia la aplicación
La magnetización se puede utilizar para calentar materiales magnetocalóricos, sin embargo, solo dentro de un rango de temperatura estrecho que es específico para cada material. Cuando se aplica un campo magnético a estas temperaturas, los momentos magnéticos se orientan en la dirección del campo magnético. Esto genera energía térmica, calentar el material.
El hierro exhibe el efecto magnetocalórico a aproximadamente 750 ° C, y níquel a unos 360 ° C. Solo hay un elemento que se puede calentar con magnetocalóricos a temperatura ambiente:gadolinio, un metal muy raro y por lo tanto extremadamente caro.
No fue hasta finales de la década de 1990 que se desarrollaron aleaciones que son magnetocalóricas a temperatura ambiente y que pueden producirse de forma rentable a escala industrial. Uno de ellos es la aleación de lantano-hierro-silicio que está utilizando el grupo de trabajo de Fraunhofer IPM.
