Возможно, когда-то у нас дома будут стоят холодильники, работающие не на химических компонентах и промышленных охладителях. Работать они будут на базе магнитных систем охлаждения, которые, в свою очередь, будут использовать примерно такие же магниты, с которыми многие из нас играли в детстве — цепляли их к большим металлическим объектам и поднимали с помощью них маленькие металлические объекты.

При воздействии магнитов на металлические объекты мы на самом деле несознательно нагревали эти металлические предметы. И не просто потому, что держали эти предметы в своих горячих руках. Дело в том, что магнитные поля могут нагревать металл. И это явление называется магнетокалорическим эффектом. Когда металл находится в состоянии покоя и на него не воздействуют внешние раздражители, то его электроны двигаются в любых возможных направлениях.

Однако стоит поднести к нему магнит, и металл оказывается под воздействием магнитного поля — электроны фактически выстраиваются в ряд в одном и том же направлении. Это изменение энтропии, или, другими словами, ограничение электронов в возможности свободного движения. Однако это ограничение непостоянно. Да, теперь электроны не могут двигаться в любых направлениях, в каким им «хочется», однако в других направлениях они двигаться все же могут. В данном случае энтропия возрастает путем повышения вибрации атомов. А вибрация атомов, а точнее энергия их вибрации, или движения, носит более обобщенное название — теплота.

Поэтому если мы подносим к металлу магнит, он начинает нагреваться. Эффект нагрева при использовании большинства металлов практически незначительный, однако есть металлы, которые в таком случае нагреваются очень сильно. К таким металлам относится, например, гадолиний. Казалось бы, магнетокалорический эффект больше подходит для готовки еды, а не для ее заморозки.

Однако этот эффект может обладать и обратным действием. Если кусочек металла находится под воздействием магнитного поля и это поле затем убирают, то металл начинает охлаждаться.

Большинство магнитных холодильников, проходящих сейчас испытания в научных лабораториях, могут охлаждать таким методом небольшие объекты. На металл, находящийся под воздействием магнитного поля, наносится специальная субстанция, чаще всего гелий. Эта субстанция забирает чрезмерное тепло, металл охлаждается, а затем убирается магнитное поле, что делает металл очень холодным.

Достаточно холодным, чтобы его можно было использовать в качестве охладителя. Принцип магнитного охлаждения известен довольно давно, однако его домашнее использование кажется пока несбыточной мечтой. Будем надеяться, что в конечном итоге возможности магнитных систем охлаждения, их эффективность, бесшумность и пониженная потребность в использовании химических хладагентов однажды смогут вывести их на рынок.

МАГНИТНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ - метод получения низких и сверхнизких темп-р путём адиабатич. размагничивания парамагн. веществ, предложенный П. Дебаем и У. Джиоком (P. Debye, W. Giauque, 1926). Ранее этот метод широко использовался для получения темп-р от 1 до 0,01 К с применением парамагн. солей, Для достижения темп-р этого диапазона используют в основном растворения 3 Не в 4 Не (см. Криостат) , но своё значение метод М. о. сохранил для ванфлековских (см. Ванфлековский парамагнетизм )и ядерных парамагн. систем, с использованием к-рых удаётся получать темп-ры милли-, микро- и даже нанокельвинового диапазона.

Для примера рассмотрим размагничивания меди. Существует два стабильных изотопа меди: 63 Сu (69,04%) и 65 Сu (30,96%). Оба изотопа имеют ядерный спин I =3/2, величина g-фактора меди с учётом вклада изотопов . При темп-рах энтропия S меди определяется ориентац. степенями свободы ядерных магн. моментов, т. к. электронные и степени свободы при столь низких темп-рах практически отсутствуют ("вымерзли"). Энтропия моля меди описывается ф-лой

где - молярная ядерная константа Кюри, X А*м 2 - ядерный магнетон , - магнитная постоянная , R - , N A - Авогадро постоянная, В - внеш. магн. поле, b - эффективное поле, наводимое на ядре меди соседними ядрами. Температурные зависимости энтропии меди, помещённой в различные внеш. магн. поля, показаны на рис.

Энтропийная диаграмма процесса магнитного охлаждения системы ядер меди с I = 3/2. . Кривые линии - зависимости энтропии S от температуры Т в магнитных полях с индукцией В , равной 8 Тл, 50 мТл и 0,3 мТл.

Процесс ядерного размагничивания меди осуществляют поэтапно. Первоначально медь охлаждают в сильном магн. поле (до точки Б на рис.). При этом внеш. холодильник, к-рым обычно является криостат растворения, отводит от меди тепло. Затем проводят процесс адиабатич. размагничивания (Б-В на рис.), к-рый идёт с сохранением энтропии меди. Скорость этого процесса обычно выбирается такой, чтобы тепловые потери за счёт токов Фуко были пренебрежимо малы. Конечная темп-pa Т к подсистемы ядер меди определяется значениями начального и конечного полей размагничивания (B H и В к )и без учёта тепловых потерь во время размагничивания равна

Ядерная теплоёмкость С меди после размагничивания также зависит от величины конечного поля

После размагничивания подсистема ядер может быть использована в качестве хладагента для охлаждения других систем (процесс ВГ), а затем медь снова намагничивают (процесс ГА). На рис. проиллюстрирован также эксперимент по глубокому охлаждению ядер меди (Б-Д), в к-ром удаётся получить темп-ру ядер 10 нК.

Практич. применение метода М. о. ограничено относительно плохим контактом магн. подсистемы с др. подсистемами вещества. В результате при охлаждении подсистемы ядер меди до К электроны проводимости остаются охлаждёнными лишь до , а жидкий гелий удаётся охладить только до (из-за Капицы скачка температуры ). С др. стороны, количество теплоты, к-рое может поглотить система ядерных спинов, тем меньше, чем ниже темп-pa. Поэтому при использовании ядерного размагничивания в качестве метода охлаждения темп-ру подсистемы ядер обычно поддерживают близкой к темп-ре охлаждаемых образцов.

Одной из разновидностей метода М. о. является т. н. метод охлаждения ядер во вращающейся системе координат. Метод эффективен, когда тепловой контакт подсистемы ядер (спиновой ядерной системы) с др. подсистемами вещества пренебрежимо мал. В этом методе на спиновую систему непрерывно воздействуют радиочастотным полем, к-рое можно рассматривать как стационарное, если для спинов ввести вращающуюся с частотой поля систему координат. При переходе во вращающуюся систему координат к внеш. магн. полю В необходим добавить эффективное поле - частота, -

Этап чемпионата по деловой игре «Железный предприниматель»

ТвГУ, Тверь, 5-6 декабря 2014

НОВЫЕ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ МАГНИТНЫЕ ХОЛОДИЛЬНИКИ

Описание технологии:

В
основе технологии магнитного охлаждения лежит магнитокалорический эффект (МКЭ). МКЭ подразумевает изменение температуры в большинстве магнитных материалов при изменении внешнего магнитного поля, т.е. при намагничивании большинство магнитных материалов нагреваются, а при размагничивании остывают. Таким образом, основываясь на МКЭ, возможно создание магнитных холодильников ­­­­- машин, где магнитные материалы выступают в качестве рабочих тел вместо газа, а процессы намагничивания или размагничивания используется вместо процессов сжатия или расширения.

Парокомпрессионный цикл охлаждения Цикл магнитного охлаждения

История:

В 1905 году Ланжевеном было впервые показано, что изменение намагниченности парамагнетика вызывает в целом обратимые изменения температуры. Петер Дебай (1926) и Уильям Джиок (1927) предположили использовать обратимые изменения температуры в парамагнитной соли для получения низких температур путем адиабатического размагничивания. Первое экспериментальное устройство магнитного охлаждения, основанное на МКЭ, было предложено Брауном в 1979.

Технология магнитного охлаждения успешно применяется для получения сверхнизких температур и является перспективным методом охлаждения при температурах вблизи комнатных.

Преимущества и ограничения технологии:

В качестве рабочих тел магнитных холодильников выступают твердые магнитные материалы с низкой токсичностью, которые можно легко перерабатывать. Магнитные холодильники, работающие при комнатной температуре, предпочтительнее с экологической точки зрения, так как они не используют летучие жидкие хладагенты, которые имеют негативное влияние на атмосферу Земли. Замена традиционных циклов, использующих жидкие хладагенты (фреоны), твердотельным магнитотепловым циклом позволит серьезно сократить потребление энергии в этом секторе экономики (оценочная эффективность превышает традиционные технологии охлаждения на 30-40%). Данная технология включена в семерку самых перспективных энергетических технологий по сокращению энергопотребления в масштабах планеты. Наконец, все твердотельные магнитные охладители обладают еще и другими преимуществами: удобство и простота эксплуатации, бесшумность, независимость от ориентации в пространстве.

Магнитные холодильники имеют преимущество, когда необходимо компактное устройство, способное перекачивать большое количество тепловой энергии в короткий промежуток времени. Системы охлаждения на основе МКЭ актуальны не только для бытового, но и промышленного применения – в частности для создания надежных и малозатратных систем охлаждения в серверных и дата-центрах. Магнитные охлаждающие устройства могут быть использованы в различных областях, таких, как ожижение водорода, изготовление кондиционеров воздуха, систем охлаждения для автомобилей и т.д.

Конечно, твердотельные магнитные холодильные машины имеют и недостатки, такие как высокая стоимость используемых материалов, технологическая сложность изготовления. К тому же магнитные холодильники имеют узкий температурный диапазон охлаждения, что приводит к разработке более сложных рабочих конструкций.

На сегодняшний день во всем мире ведется большая работа по разработке и созданию промышленного прототипа магнитного холодильника. Хороших результатов достигли такие технологические гиганты как General Electrics, Philips, BMW, Camfridge, Cooltec, Delta Electronics/BASF Future Business/TU Delft и Astronautics. Только в 2014 году фирма General Electrics анонсировала выпуск холодильных установок на основе магнитокалорического эффекта и показала опытную установку. На сегодняшний момент по всему миру создано около 40 прототипов магнитных холодильников. Однако ни все они созданы для демонстрации эффективности и огромного потенциала технологии магнитного охлаждения.

Ценовая политика:

Ориентировочная цена прототипа магнитного холодильника составляет 50 000 рублей.

Задания:

Придумайте продукт/услугу/применение на основе описанной технологии и проработайте ее бизнес-модель.

Примите во внимание следующие задачи:

Разработайте схему распространения продукта и способы стимулирования продаж.

Какую дополнительную потребительскую ценность приносит предложенная Вами услуга или продукт?

Каким образом выводить продукт/услугу на рынок? Кто будут первыми клиентами?

Рабочие характеристики и особенности конструкций лучших на сегодняшний день прототипов магнитных холодильников

(дата анонса)		Zimm et al., Astronautics Corp. America, Madison, Wisconsin, USA (2003)	Tura and Rowe Univ. Victoria Victoria, Canada (2007)	M. Balli, Switzerland (2013)	General Eleсtric
Тип рабочей схемы и максимальная рабочая частота (Гц)	Поршневой, цикл охлаждения Стирлинга	Ротационный, 4	Ротационный, 4	Поршневой, 0,5	Ротационный
Тип магнитной системы и В max (Тл); Макс. мощность охлаждения (Вт); Макс. T(K)	Сверхпроводящий магнит, 7	Постоянные магниты, 1.5	Постоянные магниты, 1.47	Постоянные магниты 1,45	Постоянные магниты 1,25
Материал рабочего тела и теплоносителя	1мм пластины Gd, теплоноситель - 20% раствор спирта и воды	Сферы Gd, GdEr 0.25-0.5 мм, теплоноситель – вода с ингибиторами	Хлопья Gd, 0.6 мм, теплоноситель – вода.	Пластины из Gd	Порошок Gd
Иллюстрации

История сплавов Гейслера началась еще в 1898 году, когда немецкий физик Фридрих Гейслер обнаружил интересную закономерность: сплавление немагнитнитных Mn, Cu и Sn приводило к появлению ферромагнитные свойства, то есть сплав притягивался к магниту. Впоследствии данная особенность была обнаружена и в других сплавах с общей химической формулой Х2YZ. Наиболее интересным для практических применений является сплав Гейслера Ni2MnGa. Этот интерметаллид проявляет эффекты памяти формы и сверхупругости, а его ярко выраженные магнитные свойства дают возможность управления этими эффектами с помощью магнитного поля, вплоть до изменения на глазах формы предмета из сплава при поднесении к нему магнита (!).

Память формы и сверхупругость обусловлены наличием особого фазового превращения, называемого мартенситным. В ферромагнитных сплавах с памятью формы магнитное поле влияет на параметры мартенситной фазы вследствие магнитоупругого взаимодействия.

Обычные бытовые холодильники основаны на компрессионном принципе. Охлаждающая жидкость под сильным давлением выталкивается в испаритель, который находится внутри холодильной камеры. В момент возвращения к нормальному давлению жидкость превращается в пар, забирая при этом тепло из внешней среды.

У этих холодильников есть ряд недостатков: охлаждающая система требует много места, издает шум, потребляет много электроэнергии, и требует специальной утилизации (в качестве хладагента применяются фреоны, а при попадании в атмосферу эти вещества разрушают озоновый слой). Именно поэтому сегодня ученые в разных странах работают над созданием магнитных холодильников.

Эти устройства будут работать благодаря магнитокалорическому эффекту: при определенных условиях некоторые вещества способны нагреваться при включении магнитного поля, а выключение магнитного поля приводит к их резкому охлаждению.

Уже существуют первые модели магнитных холодильников, в которых в качестве рабочего вещества используется гадолиний, но широкого применения они пока не получили из-за недостаточной эффективности и дороговизны Gd. Поэтому сегодня необходимы методы создания новых материалов с магнитокалорическим эффектом и способы точной оценки их свойств.

Одними из перспективных материалов для создания таких холодильников являются некоторые представители семейства сплавов Гейслера. В настоящее время известно более 1500 интерметаллических соединений, которые входят в это семейство. Наряду с магнитокалорическим эффектом сплавы Гейслера проявляют ряд других интересных свойств: 100% спиновую поляризацию, свойства топологических изоляторов, аномальную последовательность магнитных переходов, где при нагреве сплава он переходит из немагнитного состояния в магнитное (в «классических» ферромагнетиках нагрев разрушает ферромагнитное упорядочение и при определенной температуре, называемой точкой Кюри, ферромагнетик переходит в немагнитное состояние).

Владимир Соколовский и доктор Ховайло работают над теоретическим исследованием фазовых превращений (магнитных, структурных, связанных магнитоструктурных), магнитных, структурных и теплофизических свойств моно и поликристаллических сплавов Гейслера с эффектом памяти формы Ni-Mn-X и Ni-Mn-X-Y (X = Ga, In, Sn, Sb и Y = Fe, Cu, Co, Cr) с помощью первопринципных и Монте-Карло-методов.

Сплавы Гейслера — перспективные материалы не только для магнитных холодильников, но и для разработки миниатюрных силовых устройств, манипуляторов, а в спинтронике — для создания элементов хранения информации.