Серия сплавов, разработанная российскими учеными, позволит создать холодильник, который будет работать без использования токсичного фреона. В состав этих сплавов входят редкоземельные металлы, которые активно выделяют или поглощают тепло под воздействием магнитного поля, — гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий. Созданные с их применением магнитные холодильники подойдут для использования как в космосе, так и в бытовых условиях.
Способность кристаллической решетки некоторых веществ меняться под воздействием магнитного поля, при этом выделяя или поглощая тепло, вдохновила ученых разных стран на поиск сплавов, способных заменить токсичный фреон, применяемый в обычных холодильниках. Осталось найти сплав, в котором так называемый магнитокалорический эффект (изменение температуры магнитного вещества при изменении внешнего магнитного поля) был бы максимально выражен.
В ходе совместных исследований физики Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (СПбПУ), МГУ им. М.В. Ломоносова и Института металлургии и материаловедения РАН (ИМЕТ РАН) определили несколько материалов, обладающих наиболее выраженным магнитокалорическим эффектом. Это сплавы, включающие несколько редкоземельных металлов: гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий и кобальт, в некоторых случаях с небольшим замещением на алюминий.
— Мы исследовали кристаллическую структуру данной системы материалов и научились управлять ее свойствами. С помощью подбора определенной комбинации редкоземельных металлов удалось получить серию сплавов, которые могут быть весьма эффективными для магнитного охлаждения, — пояснил ректор СПбПУ Андрей Рудской, участвовавший в исследовании как ученый-материаловед.
Так как редкоземельные металлы и кобальт довольно дороги (их цена сопоставима со стоимостью серебра), исследователи нашли способы удешевления сплавов.
— Мы предложили ввести в состав сплавов алюминий при сохранении и даже улучшении их свойств, — рассказал завкафедрой «Физическая электроника» СПбПУ Алексей Филимонов. — Поиск подходящих материалов велся с 1960-х годов методом проб и ошибок. Блуждание по тупикам закончилось после того, как удалось построить полную модель явления — создать теорию, адекватно описывающую магнитокалорические процессы в различных материалах.
Колесо и магнит
Принцип действия магнитного холодильника прост: за счет воздействия магнитного поля изменяется симметрия кристаллической решетки, в результате происходит высвобождение или поглощение тепла. В зависимости от того, какое магнитное поле и в каком направлении прикладывается, можно вызвать либо интенсивный разогрев, либо сильное охлаждение.
Один из вариантов механики работы магнитного холодильника — использование вращающейся конструкции. Она состоит из колеса, содержащего сегменты с порошком сплава, а также мощного постоянного магнита. Колесо прокручивается через рабочий зазор, в котором сконцентрировано магнитное поле. При вхождении сплава в нем возникает магнитокалорический эффект — он нагревается. Тепло отводится теплообменником, охлаждаемым водой. Когда сплав выходит из зоны поля, возникает магнитокалорический эффект противоположного знака. В результате материал охлаждается, понижая температуру в теплообменнике с циркулирующим в нем вторым потоком воды. Этот поток и используется для охлаждения холодильной камеры магнитного холодильника.
— Это технологии будущего, — уверен Андрей Рудской. — Ученым предстоит большая работа по повышению эффективности данных материалов. Необходимо подтвердить уровень эксплуатационной надежности материала — его стабильности и безотказности. Разработки в области создания магнитного холодильника также ведут исследовательские центры в США, Японии, Германии, Франции, Италии.
С начала космической эры и по сей день космонавты не используют холодильники в привычном понимании — для охлаждения продуктов.
— Холодильные установки в российском сегменте МКС есть, но они используются не для хранения продуктов, а для охлаждения образцов, используемых в научных экспериментах, — рассказал летчик-космонавт, Герой России Андрей Борисенко. Установки на фреоне в космосе использовать слишком рискованно, так как при утечке газа в замкнутом пространстве очистить от него атмосферу на станции будет сложно. Затрудняет работу холодильных установок также отсутствие гравитации и конвекции. А вот для магнитного холодильника ориентация в пространстве не важна, газы в нем не используются.
По словам Андрея Борисенко, важно также учитывать энергопотребление прибора и его возможное влияние на работу жизненно важных систем управления космическим кораблем. Космонавт признался, что холодильник на орбите нужен для повышения комфорта в полете. В настоящее время космонавты работают на орбите не более полутора лет. А при полетах в дальний космос сроки резко возрастут, а вместе с ними и требования к комфорту пребывания человека в космосе.
Широко распространенные сегодня холодильные установки, которые работают на принципах сжатия-расширения фреона, имеют существенные недостатки — большую массу и габариты при небольшом КПД (не более 30%). В полет, например на Марс, где важен каждый грамм груза, брать такой холодильник накладно. У магнитных холодильников КПД намного больше.
— Экономичность и эффективность магнитных холодильников в условиях комнатной температуры может достигать 85%, — считает Галина Политова, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Института металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН (ИМЕТ РАН).
В числе достоинств магнитных холодильников другая участница исследований — Ирина Терешина, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник кафедры «Физики твердого тела» Физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова назвала удобство и простоту эксплуатации — компактность, бесшумность в работе, независимость ориентации в пространстве, что важно для применения в космосе и в быту. А также износостойкость благодаря небольшому количеству подвижных деталей и работе на низких частотах.
Среди недостатков Ирина Терешина и Галина Политова отметили неоднородность распределения температуры, необходимость экранировать (изолировать с помощью непроницаемых для магнитного поля материалов) источник магнитного поля и высокую цену твердотельных хладагентов (гадолиний, тербий).
Источник