Una scoperta del 1917 diventa praticabile per il futuro. Un team di ricercatori dell'IPM dell'Istituto Fraunhofer per le tecniche di misurazione fisica sta sviluppando efficienti sistemi di raffreddamento magnetocalorici che fanno a meno dei refrigeranti nocivi. I ricercatori sperano di raggiungere il 50 percento del massimo livello di efficienza con il loro processo. I sistemi magnetocalorici esistenti comparabili raggiungono solo il 30% circa.

Molti gruppi di ricerca in tutto il mondo stanno lavorando su frigoriferi, impianti di raffrescamento industriale e condizionatori d'aria che pompano calore utilizzando materiali magnetocalorici. Il ciclo di riscaldamento e raffreddamento generato dalla magnetizzazione è particolarmente adatto per il raffreddamento. Il fisico Dr. Kilian Bartholomé e il suo team al Fraunhofer IPM di Friburgo, Germania, stanno utilizzando questa tecnologia per sviluppare un concetto di conduttività termica estremamente efficiente che elimina la necessità di refrigeranti dannosi per l'ambiente.

C'è una grande richiesta di tecnologie di raffreddamento innovative, poiché gli idrofluorocarburi convenzionali (HFC) utilizzati oggi sono potenti gas serra. Per questa ragione, l'UE ha notevolmente limitato l'uso degli HFC. Esistono alternative agli HFC, come i refrigeranti naturali butano e propano, che vengono utilizzati ad es. nei frigoriferi domestici. Questi gas sono infiammabili, ma non considerato pericoloso nelle quantità utilizzate nei frigoriferi domestici. Ancora, non sono un'opzione praticabile per sistemi di raffreddamento più grandi come quelli che si trovano nei supermercati. L'industria sta lavorando su refrigeranti alternativi, ma deve ancora trovare soluzioni convincenti.

Lega ecologica lantanio-ferro-silicio come materiale magnetocalorico

Un sistema di raffreddamento magnetocalorico non richiede alcun tipo di refrigerante dannoso. I ricercatori stanno utilizzando una lega di lantanio-ferro-silicio ecologica come materiale magnetocalorico, che si riscalda quando viene applicato un campo magnetico e si raffredda quando il campo viene rimosso. Kilian Bartholomé e il suo team hanno sviluppato e brevettato una procedura speciale per trasferire il calore prodotto.

Il sistema di raffreddamento di Bartholomé sfrutta il calore latente, cioè l'energia richiesta da un liquido per trasformarsi in vapore. "Poiché l'acqua assorbe molta energia quando passa da uno stato liquido a uno gassoso, usiamo il processo di evaporazione per trasferire il calore, " dice il fisico. "Questo è un mezzo altamente efficiente per trasferire l'energia termica".

Nel decidere di utilizzare il processo di evaporazione per il trasporto del calore, Kilian Bartholomé e il suo collega Jan König si sono ispirati ai tubi di calore utilizzati, ad es. come collettori di tubi negli impianti solari e per il raffreddamento dei computer. Un tubo di calore è un contenitore evacuato, dove è stata racchiusa una piccola quantità di fluido. Se un lato del tubo è riscaldato, il fluido evapora su questo lato riscaldato e condensa nuovamente sul lato freddo. Nel processo si ottengono velocità di trasmissione del calore molto elevate.

Il tubo di calore magnetocalorico in fase di sviluppo presso Fraunhofer IPM, però, è notevolmente più complesso. Consiste di tante piccole camere contenenti il ​​materiale magnetocalorico. La lega ha una struttura finemente porosa in modo che possa essere penetrata in modo ottimale dal vapore acqueo. Il metodo per produrre la lega porosa è opera della Dott.ssa Sandra Wieland e del Dott. Martin Dressler del Fraunhofer Institute for Manufacturing Technology and Advanced Materials IFAM.

Nuovo record mondiale per i sistemi di raffreddamento magnetocalorici

Per aumentare ulteriormente l'efficienza, Bartholomé dispone i segmenti del tubo di calore in uno schema circolare e posiziona un magnete rotante nel mezzo. Si prevede che il dimostratore genererà 300 watt di potenza entro la fine dell'anno. A titolo di confronto:il compressore in un frigorifero domestico produce da 50 a 100 watt di potenza. Il sistema attuale funziona già a una frequenza molto elevata. I ricercatori di Friburgo hanno in programma di utilizzare il dimostratore per battere un record mondiale per i sistemi di raffreddamento magnetocalorici per quanto riguarda la frequenza del sistema. L'obiettivo a lungo termine è raggiungere il 50 percento del livello di efficienza massimo teorico. I sistemi esistenti comparabili raggiungono circa il 30 percento.

Gli operatori del settore stanno già manifestando grande interesse per la ricerca, per esempio Philipp Kirsch GmbH, che produce frigoriferi speciali per laboratori medici, farmacie e ospedali. L'antica azienda tedesca sta collaborando con Fraunhofer IPM in un progetto sponsorizzato dal Ministero federale tedesco dell'economia e della tecnologia (BMWi). "Vogliamo mettere sul mercato un'unità di meno-86 gradi basata sulla magnetocalorica, ", afferma il CEO Jochen Kopitzke. "I magnetocalorici hanno un potenziale dirompente molto grande e potrebbero essere in grado di sostituire il raffreddamento a compressore nel medio termine. Vediamo qui un mercato chiaramente in via di sviluppo che possiamo penetrare".

Magnetocalorici:la lunga strada verso l'applicazione

La magnetizzazione può essere utilizzata per riscaldare materiali magnetocalorici, tuttavia solo all'interno di un intervallo di temperatura ristretto che è specifico per ciascun materiale. Quando un campo magnetico viene applicato a queste temperature, i momenti magnetici si orientano nella direzione del campo magnetico. Questo genera energia termica, riscaldare il materiale.

Il ferro mostra l'effetto magnetocalorico a circa 750° C, e nichel a circa 360° C. C'è un solo elemento che può essere riscaldato con magnetocalorici a temperatura ambiente:gadolinio, un metallo molto raro e quindi estremamente costoso.

Solo alla fine degli anni '90 sono state sviluppate leghe che sono magnetocaloriche a temperatura ambiente e che possono essere prodotte a costi contenuti su scala industriale. Uno di questi è la lega lantanio-ferro-silicio utilizzata dal gruppo di lavoro del Fraunhofer IPM.