I criorefrigeratori sono unità di refrigerazione ultrafredde utilizzate in chirurgia e sviluppo di farmaci, fabbricazione di semiconduttori, e astronave. Possono essere tubi, pompe, dimensioni da tavolo, o sistemi frigoriferi più grandi.

Lo scambiatore di calore rigenerativo, o rigeneratore, è un componente fondamentale dei criorefrigeratori. A temperature inferiori a 10 kelvin (-441,67 gradi Fahrenheit), le prestazioni calano precipitosamente, con perdita massima del rigeneratore superiore al 50%.

Nella loro carta, pubblicato in Lettere di fisica applicata , i ricercatori dell'Università dell'Accademia cinese delle scienze hanno utilizzato particelle di carbonio superattivato come materiale rigeneratore alternativo per aumentare la capacità di raffreddamento a temperature fino a 4 kelvin.

Nella maggior parte dei criorefrigeratori, un compressore spinge il gas a temperatura ambiente attraverso il rigeneratore. Il rigeneratore assorbe calore dalla compressione, e il gas raffreddato si espande. Il gas ultrafreddo oscillante assorbe il calore intrappolato nel rigeneratore, e il processo si ripete.

L'azoto è il gas più comunemente usato nei criorefrigeratori. Ma per applicazioni che richiedono temperature inferiori a 10 kelvin, come strumenti del telescopio spaziale e sistemi di imaging a risonanza magnetica, si usa l'elio, perché ha il punto di ebollizione più basso di qualsiasi gas, consentendo le temperature più fredde raggiungibili.

Però, l'elevato calore specifico dell'elio (la quantità di trasferimento di calore necessaria per modificare la temperatura di una sostanza) provoca grandi fluttuazioni di temperatura durante il ciclo di compressione ed espansione a basse temperature, che compromette gravemente l'efficienza di raffreddamento.

Per affrontare questo problema, i ricercatori hanno sostituito i metalli delle terre rare convenzionali del rigeneratore con carbone attivo, che è carbonio trattato con anidride carbonica o vapore surriscaldato ad alte temperature. Questo crea una matrice di pori di dimensioni micron che aumenta la superficie del carbonio, consentendo al rigeneratore di trattenere più elio a basse temperature e rimuovere più calore.

I ricercatori hanno utilizzato un criorefrigeratore Gifford-McMahon da 4 kelvin per testare la capacità di adsorbimento dell'elio in particelle di carbonio superattivato con una porosità di 0,65 in intervalli di temperatura variabili di 3-10 kelvin.

Hanno trovato quando hanno riempito il rigeneratore con il 5,6% di carbonio con diametri compresi tra 50 e 100 micron, la temperatura a vuoto ottenuta di 3,6 kelvin era la stessa dell'utilizzo di metalli preziosi. Però, a 4 kelvin, capacità di raffreddamento aumentata di oltre il 30%.

Hanno confermato il miglioramento delle prestazioni posizionando carbone attivo con guscio di noce di cocco in un tubo a impulsi sperimentale che hanno costruito e utilizzando un modello di calcolo termodinamico.

"Oltre a fornire una maggiore capacità di raffreddamento, il carbone attivo può fungere da alternativa a basso costo ai metalli preziosi e potrebbe anche avvantaggiare rilevatori a bassa temperatura sensibili al magnetismo, " ha detto l'autore Liubiao Chen.