Без фреона: Холодильник на магните⁠⁠

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.

Замена фреону

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 холодильником на Марс

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