I ricercatori dell'Ames Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno progettato e costruito un sistema modello avanzato che utilizza con successo quantità molto piccole di materiali magnetocalorici per ottenere un raffreddamento a livello di refrigerazione. Lo sviluppo segna un passo importante nella creazione di nuove tecnologie per sostituire la refrigerazione a compressione di gas vecchia di 100 anni con sistemi a stato solido fino al 30% più efficienti dal punto di vista energetico.

Chiamato CaloriSMART—Small Modular Advanced Research-scale Test-station—il sistema è stato progettato specificamente per la valutazione rapida dei materiali nei rigeneratori senza un grande investimento di tempo o di produzione. Il test iniziale ha sottoposto un campione di gadolinio a campi magnetici sequenziali, provocando l'alternanza del riscaldamento e del raffreddamento del campione. Utilizzando pompe temporizzate con precisione per far circolare l'acqua durante i cicli di riscaldamento e raffreddamento, il sistema ha dimostrato una potenza di raffreddamento sostenuta di circa 10 watt, con un gradiente di 15 gradi Celsius (poco meno di 30 ° F) tra le estremità calde e fredde utilizzando solo circa tre centimetri cubi di gadolinio.

"Nonostante le previsioni, falliremmo a causa di inefficienze e perdite previste, abbiamo sempre creduto che avrebbe funzionato, " ha affermato Vitalij Pecharsky, direttore del progetto CaloriCool e scienziato del laboratorio Ames, "ma siamo rimasti piacevolmente sorpresi dal modo in cui ha funzionato. È un sistema straordinario e funziona eccezionalmente bene. La refrigerazione magnetica vicino alla temperatura ambiente è stata ampiamente studiata per 20 anni, ma questo è uno dei migliori sistemi che sia stato sviluppato."

Pecharsky ha accreditato la scienziata del progetto Julie Slaughter e il suo team per aver progettato il sistema che ha richiesto circa cinque mesi per essere costruito. Le funzionalità di stampa 3D sono state utilizzate per costruire su misura il collettore che contiene il campione e fa circolare il fluido che effettivamente sfrutta la potenza di raffreddamento del sistema. Il sistema dispone anche di magneti al neodimio-ferro-boro personalizzati che forniscono un campo magnetico concentrato di 1,4 Tesla al campione, e il sistema di pompaggio in linea di precisione che fa circolare il fluido.

"Abbiamo solo bisogno di 2-5 centimetri cubi di materiale campione, nella maggior parte dei casi circa 15-25 grammi, " Ha detto Slaughter. "Stiamo definendo il punto di riferimento con il gadolinio e sappiamo che ci sono altri materiali che funzioneranno ancora meglio. E il nostro sistema dovrebbe essere scalabile (per il raffreddamento commerciale) in futuro."

"Ma il motivo principale per cui abbiamo concepito e costruito CaloriSMART è accelerare la progettazione e lo sviluppo di materiali calorici in modo che possano essere spostati nello spazio di produzione almeno due o tre volte più velocemente rispetto ai circa 20 anni che in genere impiegano oggi, "aggiunse Pecharsky, che è anche Anston Marston Distinguished Professor presso il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali della Iowa State University.

Il test magnetocalorico è solo l'inizio. Il piano è di aggiornare il sistema per lavorare con materiali elastocalorici, che si riscaldano e si raffreddano in modo reversibile quando sottoposti a tensione ciclica o compressione, e materiali elettrocalorici, che fanno il

Il collettore stampato in 3D che contiene un campione di gadolinio. lo stesso quando sottoposto a un campo elettrico variabile. Il sistema funzionerà anche in una modalità a campo combinato che consente l'utilizzo simultaneo di una combinazione di tecniche.

"Ci sono una manciata di posti che studiano materiali elastocalorici ed elettrocalorici, "Pecharsky ha detto, "ma nessuno li ha tutti e tre in un unico posto e il nostro sistema ora ci offre questa capacità".