Più tardi, durante questo secolo, intorno al 2060, è previsto un cambio di paradigma nel consumo energetico globale:spenderemo più energia per il raffreddamento che per il riscaldamento. Nel frattempo, la crescente penetrazione delle applicazioni di raffreddamento nella nostra vita quotidiana causa un'impronta ecologica in rapida crescita. Nuovi processi di refrigerazione come il raffreddamento magnetico potrebbero limitare il conseguente impatto sul clima e sull'ambiente. I ricercatori dell'Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) e della Technische Universität Darmstadt hanno esaminato più da vicino i materiali più promettenti di oggi. Il risultato del loro lavoro è la prima libreria sistematica di materiale magnetocalorico con tutti i dati relativi alle proprietà, che hanno pubblicato ora sulla rivista Materiali energetici avanzati .

Il raffreddamento artificiale che utilizza la compressione del gas convenzionale è in uso nelle applicazioni domestiche commerciali da circa cento anni. Però, la tecnologia è cambiata a malapena durante questo periodo. Gli esperti stimano che oggi in tutto il mondo siano in uso circa un miliardo di frigoriferi basati su questa tecnologia, in numero sempre crescente. "La tecnologia di raffreddamento è ora considerata il più grande consumatore di energia nelle nostre quattro mura. Il potenziale di inquinamento ambientale causato dai refrigeranti tipici è altrettanto problematico, " Il Dr. Tino Gottschall del Laboratorio di Alta Campo Magnetico di Dresda dell'HZDR descrive la motivazione della sua ricerca.

L'"effetto magnetocalorico, " che potrebbe diventare il cuore delle future tecnologie di raffreddamento, è un processo in cui determinati elementi e leghe cambiano improvvisamente la loro temperatura quando esposti a un campo magnetico. Esiste un'intera serie di tali sostanze magnetocaloriche già note dalla ricerca. "Ma se sono adatti per applicazioni domestiche e industriali su larga scala, questa è una domanda completamente diversa, " aggiunge il Prof. Oliver Gutfleisch dell'Institute of Materials Science della Technische Universität Darmstadt.

Database delle sostanze per i materiali di raffreddamento

Gli scienziati stavano raccogliendo dati sulle proprietà delle sostanze per chiarire questi problemi. Però, hanno subito incontrato difficoltà. "Siamo rimasti particolarmente sorpresi dal fatto che nella letteratura specialistica si possano trovare solo pochi risultati delle misurazioni dirette, " riferisce Gottschall. "Nella maggior parte dei casi, questi parametri sono stati derivati ​​indirettamente dai dati di magnetizzazione osservati. Abbiamo scoperto che né le condizioni di misurazione, come l'intensità e il profilo del campo magnetico applicato, né i regimi di misura, sono comparabili. Di conseguenza, i risultati non coincidono".

Per dissipare le incongruenze nei parametri materiali precedentemente pubblicati, gli scienziati hanno ideato un elaborato programma di misurazione, che copre l'intero spettro dei materiali magnetocalorici attualmente più promettenti e le relative proprietà dei materiali. Abbinando misure di alta precisione a considerazioni termodinamiche, i ricercatori di Darmstadt e Dresda sono stati in grado di generare serie di dati materiali coerenti. Gli scienziati ora presentano questo solido database che può facilitare la selezione di materiali adatti per varie applicazioni di raffreddamento magnetico.

Quali materiali possono assumere il gadolinio?

L'idoneità di un materiale per scopi di raffreddamento magnetico è determinata in ultima analisi da vari parametri. Richiede la giusta combinazione di proprietà del materiale per competere con tecnologie di raffreddamento consolidate. Per descrivere le proprietà più importanti per i materiali di raffreddamento di domani, Gottschall afferma:"La variazione di temperatura raggiunta a temperatura ambiente dovrebbe essere grande, e allo stesso tempo dovrebbe essere dissipato quanto più calore possibile".

Per accedere alle future applicazioni di massa, queste sostanze non devono possedere caratteristiche nocive, sia in termini di ambiente che di salute. "Inoltre, non devono essere costituiti da materie prime classificate come critiche per rischi di approvvigionamento e di difficile sostituzione in applicazioni tecnologiche, " spiega Gutfleisch. "Nella valutazione complessiva dei processi tecnologici, questo aspetto è spesso trascurato. Oggi non è più sufficiente concentrarsi solo sulle proprietà fisiche. Nel rispetto, il raffreddamento magnetico è anche un ottimo esempio delle sfide fondamentali che si presentano con l'attuale transizione energetica, che non sarà possibile senza un accesso sostenibile a materiali adeguati".

A temperatura ambiente, il primo standard magnetocalorico è ancora costituito da gadolinio. Se l'elemento delle terre rare viene portato in un campo magnetico di 1 Tesla, gli scienziati misurano un cambiamento di temperatura di quasi 3 gradi Celsius. Tenendo presente la fattibilità economica dei futuri dispositivi di raffreddamento magnetico, la generazione di tali intensità di campo molto probabilmente si baserà su magneti permanenti commerciali.

Materiali adatti:uno sguardo al futuro

Nonostante le sue eccezionali proprietà, le prospettive di utilizzo del gadolinio nei dispositivi di raffreddamento domestici sono piuttosto irrealistiche. L'elemento è uno di quei metalli delle terre rare che sono classificati come critici quando si tratta di un sicuro, fornitura a lungo termine. Dato un design uguale, scambiatori di calore in leghe ferro-rodio potrebbero dissipare quantità ancora maggiori di calore per ciclo di raffreddamento. Tuttavia, anche il rodio metallico del gruppo del platino è nell'elenco delle materie prime individuate dalla Commissione Europea per un'elevata criticità.

I ricercatori hanno tuttavia trovato materiali candidati prontamente disponibili nel prossimo futuro e, allo stesso tempo, con una prestazione promettente. Composti intermetallici costituiti dagli elementi lantanio, ferro da stiro, manganese e silicio, Per esempio, in cui l'idrogeno è immagazzinato nel reticolo cristallino, può persino superare il gadolinio in termini di calore che potrebbe essere trasferito fuori dal vano frigorifero.

Altri potrebbero seguire l'esempio:i ricercatori dell'HZDR e della TU Darmstadt stanno lavorando duramente per ampliare la gamma di materiali per il raffreddamento magnetico. In stretta collaborazione, scienziati di entrambe le istituzioni stanno preparando una nuova serie di esperimenti che indagano le proprietà delle sostanze magnetocaloriche. Ad esempio, presso il laboratorio ad alto campo magnetico di Dresda, sono impostati per studiare come si comportano queste sostanze in campi magnetici ad alta pulsazione. L'obiettivo più ampio della ricerca futura risiede sulla risposta di un dato materiale all'impatto simultaneo di diversi stimoli come i campi magnetici, tensione e temperatura, così come la costruzione di dimostratori efficienti.