Los crioenfriadores son unidades de refrigeración ultrafrías que se utilizan en cirugía y desarrollo de fármacos, fabricación de semiconductores, y naves espaciales. Pueden ser tubos, zapatillas, tamaños de mesa, o sistemas de refrigerador más grandes.

El intercambiador de calor regenerativo, o regenerador, es un componente central de los refrigeradores criogénicos. A temperaturas inferiores a 10 kelvin (-441,67 grados Fahrenheit), el rendimiento cae precipitadamente, con una pérdida máxima del regenerador superior al 50%.

En su papel publicado en Letras de física aplicada , Los investigadores de la Academia de Ciencias de la Universidad de China utilizaron partículas de carbono sobreactivadas como material regenerador alternativo para aumentar la capacidad de enfriamiento a temperaturas tan bajas como 4 kelvin.

En la mayoría de los refrigeradores criogénicos, un compresor impulsa el gas a temperatura ambiente a través del regenerador. El regenerador absorbe el calor de la compresión, y el gas enfriado se expande. El gas ultrafrío oscilante absorbe el calor atrapado en el regenerador, y el proceso se repite.

El nitrógeno es el gas más utilizado en los refrigeradores criogénicos. Pero para aplicaciones que requieren temperaturas por debajo de 10 kelvin, como instrumentos de telescopios espaciales y sistemas de imágenes por resonancia magnética, se utiliza helio, porque tiene el punto de ebullición más bajo de cualquier gas, permitiendo las temperaturas más frías alcanzables.

Sin embargo, El alto calor específico del helio (la cantidad de transferencia de calor necesaria para cambiar la temperatura de una sustancia) da como resultado grandes fluctuaciones de temperatura durante el ciclo de compresión y expansión a bajas temperaturas. que afecta seriamente la eficiencia de enfriamiento.

Para abordar este problema, Los investigadores reemplazaron los metales de tierras raras convencionales del regenerador con carbón activado, que es carbono tratado con dióxido de carbono o vapor sobrecalentado a altas temperaturas. Esto crea una matriz de poros del tamaño de una micra que aumenta el área de superficie del carbono, permitiendo que el regenerador retenga más helio a bajas temperaturas y elimine más calor.

Los investigadores utilizaron un crioenfriador Gifford-McMahon de 4 kelvins para probar la capacidad de adsorción de helio en partículas de carbono sobreactivado con una porosidad de 0,65 dentro de diferentes rangos de temperatura de 3 a 10 kelvins.

Encontraron cuando llenaron el regenerador con 5.6% de carbono con diámetros entre 50 y 100 micrones, la temperatura sin carga obtenida de 3,6 kelvin fue la misma que con metales preciosos. Sin embargo, a 4 kelvins, la capacidad de refrigeración aumentó en más del 30%.

Confirmaron un rendimiento mejorado colocando carbón activado con cáscara de coco en un tubo de pulso experimental que construyeron y utilizando un modelo de cálculo termodinámico.

"Además de proporcionar una mayor capacidad de enfriamiento, el carbón activado puede servir como una alternativa de bajo costo a los metales preciosos y también podría beneficiar a los detectores de baja temperatura que son sensibles al magnetismo, ", dijo el autor Liubiao Chen.