Más tarde durante este siglo, alrededor de 2060, Se espera un cambio de paradigma en el consumo energético mundial:gastaremos más energía en refrigeración que en calefacción. Mientras tanto, La creciente penetración de las aplicaciones de refrigeración en nuestra vida diaria provoca una huella ecológica en rápido crecimiento. Los nuevos procesos de refrigeración, como el enfriamiento magnético, podrían limitar el impacto resultante en el clima y el medio ambiente. Investigadores de Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) y Technische Universität Darmstadt han examinado más de cerca los materiales más prometedores de la actualidad. El resultado de su trabajo es la primera biblioteca de materiales magnetocalóricos sistemática con todos los datos de propiedades relevantes, que han publicado ahora en la revista Materiales energéticos avanzados .

El enfriamiento artificial mediante compresión de gas convencional ha existido en aplicaciones domésticas comerciales durante aproximadamente cien años. Sin embargo, la tecnología apenas ha cambiado durante este tiempo. Los expertos estiman que alrededor de mil millones de refrigeradores basados ​​en esta tecnología se utilizan en todo el mundo en la actualidad. en números cada vez mayores. "La tecnología de refrigeración se considera ahora como el mayor consumidor de energía en nuestras propias cuatro paredes. El potencial de contaminación ambiental causada por los refrigerantes típicos es igualmente problemático, "El Dr. Tino Gottschall del Laboratorio de Alto Campo Magnético de Dresde del HZDR describe la motivación de su investigación.

El "efecto magnetocalórico, "que podría convertirse en el corazón de las futuras tecnologías de refrigeración, es un proceso en el que ciertos elementos y aleaciones cambian repentinamente de temperatura cuando se exponen a un campo magnético. Existe toda una serie de tales sustancias magnetocalóricas ya conocidas a partir de la investigación. "Pero si son adecuados para aplicaciones domésticas e industriales a gran escala, esta es una pregunta completamente diferente, ", añade el profesor Oliver Gutfleisch del Instituto de Ciencia de Materiales de la Technische Universität Darmstadt.

Base de datos de sustancias para materiales refrigerantes

Los científicos estaban recopilando datos sobre las propiedades de las sustancias para aclarar estos problemas. Sin embargo, rápidamente se encontraron con dificultades. "Nos sorprendió especialmente que en la literatura especializada sólo se puedan encontrar unos pocos resultados de mediciones directas, "informa Gottschall". En la mayoría de los casos, estos parámetros se derivaron indirectamente de los datos de magnetización observados. Encontramos que ni las condiciones de medición, como la fuerza y ​​el perfil del campo magnético aplicado, ni los regímenes de medición, son comparables. Como consecuencia, los resultados no coinciden ".

Para disipar las inconsistencias en los parámetros de material publicados anteriormente, los científicos idearon un elaborado programa de medición, que cubre todo el espectro de los materiales magnetocalóricos más prometedores en la actualidad y sus propiedades materiales relevantes. Al acoplar mediciones de alta precisión con consideraciones termodinámicas, los investigadores de Darmstadt y Dresden pudieron generar conjuntos de datos de materiales consistentes. Los científicos ahora están presentando esta sólida base de datos que puede facilitar la selección de materiales adecuados para diversas aplicaciones de enfriamiento magnético.

¿Qué materiales pueden absorber el gadolinio?

La idoneidad de un material para fines de enfriamiento magnético está determinada en última instancia por varios parámetros. Requiere la combinación adecuada de propiedades del material para competir con tecnologías de enfriamiento bien establecidas. Para describir las propiedades más importantes de los materiales de enfriamiento del mañana, Gottschall dice:"El cambio de temperatura alcanzado a temperatura ambiente debe ser grande, y se debe disipar la mayor cantidad de calor posible al mismo tiempo ".

Para ingresar a futuras aplicaciones masivas, estas sustancias no deben poseer características nocivas, tanto en términos de medio ambiente como de salud. "Además, no deben consistir en materias primas clasificadas como críticas por riesgos de suministro y de difícil sustitución en aplicaciones tecnológicas, "explica Gutfleisch." En la evaluación global de los procesos tecnológicos, este aspecto a menudo se descuida. En la actualidad, un mero enfoque en las propiedades físicas ya no es suficiente. En este sentido, El enfriamiento magnético también es un excelente ejemplo de los desafíos fundamentales que acompañan a la transición energética actual, lo que no será posible sin un acceso sostenible a materiales adecuados ".

A temperatura ambiente, el principal patrón magnetocalórico todavía está hecho de gadolinio. Si el elemento de tierras raras se introduce en un campo magnético de 1 Tesla, los científicos miden un cambio de temperatura de casi 3 grados centígrados. Teniendo en cuenta la viabilidad económica de los futuros dispositivos de enfriamiento magnético, la generación de tales intensidades de campo probablemente dependerá de imanes permanentes comerciales.

Materiales adecuados:una mirada al futuro

A pesar de sus excelentes propiedades, las perspectivas de utilizar gadolinio en dispositivos de refrigeración domésticos son poco realistas. El elemento es uno de esos metales de tierras raras que se clasifican como críticos cuando se trata de una seguridad, suministro a largo plazo. Dado un diseño igual, Los intercambiadores de calor hechos de aleaciones de hierro y rodio podrían disipar cantidades aún mayores de calor por ciclo de enfriamiento. Sin embargo, el rodio, metal del grupo del platino, también figura en la lista de materias primas destacadas por la Comisión Europea por su alta criticidad.

Sin embargo, los investigadores han encontrado materiales candidatos que estarán disponibles en un futuro cercano y, al mismo tiempo, con un desempeño prometedor. Compuestos intermetálicos formados por los elementos lantano, planchar, manganeso y silicio, por ejemplo, en el que el hidrógeno se almacena en la red cristalina, incluso puede superar al gadolinio en términos de calor que podría transferirse fuera del compartimento del frigorífico.

Otros podrían seguir su ejemplo:los investigadores del HZDR y TU Darmstadt están trabajando arduamente para ampliar la gama de materiales de enfriamiento magnético. En estrecha cooperación, Los científicos de ambas instituciones están preparando una nueva serie de experimentos que investigan las propiedades de las sustancias magnetocalóricas. En el Laboratorio de Alto Campo Magnético de Dresde, por ejemplo, están preparados para estudiar cómo se comportan estas sustancias en campos magnéticos pulsados. El enfoque más amplio de la investigación futura radica en la respuesta de un material dado al impacto simultáneo de diferentes estímulos como campos magnéticos, tensión y temperatura, así como la construcción de demostradores eficientes.