211service.com
Magneten cool maken
Denk je dat koelkastmagneten voor boodschappenlijstjes en jeugdige kunstwerken zijn? Denk nog eens na. Onderzoekers over de hele wereld proberen de koeling te revolutioneren door magneten in de kou te brengen.
Een groep in het Ames Laboratory, een laboratorium van de Energy Department aan de Iowa State University, heeft een prototype koeleenheid gebouwd die materialen met bepaalde magnetische eigenschappen omzet in natuurlijke koelmiddelen. In het bijzonder bevat het prototype het zeldzame aarde-element gadolinium , waarvan ze beweren dat de inhoud is afgekoeld tot 42 graden Fahrenheit.
Magnetische koeling kan resulteren in energiezuinigere en kleinere koelsystemen, of het nu gaat om koelkasten en airconditioners voor consumenten of voor industrieel gebruik zoals de productie van vloeibare waterstof om brandstofcellen te laten werken. Maar materialen vinden die bij kamertemperatuur afkoelen, voor een prijs waarvoor geen overheidssubsidie nodig is, is niet eenvoudig.
Wetenschappers zijn al geruime tijd op zoek naar verbeterde materialen. De kern van het onderzoek is een fenomeen dat het magnetocalorische effect wordt genoemd, waarbij sommige materialen afkoelen wanneer ze worden blootgesteld aan een veranderend magnetisch veld. Er zijn twee indicatoren voor het magnetocalorische effect: een uitlijning van elektronenspins in de materiaalmagnetisatie en een daadwerkelijke temperatuurdaling. In januari ontdekten onderzoekers van de Universiteit van Amsterdam in Nederland dat een verbinding van ijzer, mangaan en arseen een sterke elektron-spin-uitlijning vertoonde, wat suggereerde dat een goedkoop materiaal met het magnetocalorische effect misschien wel mogelijk zou zijn.
Toch kunnen cijfers misleidend zijn, zegt Ames-onderzoeker Karl Gschneidner. Er is een probleem, zegt hij, met het vertrouwen op magnetisatie. Je krijgt alleen de [verandering in de materiaal] entropie, en dat is slechts één maat voor het magnetocalorische effect. De verandering in temperatuur, zegt hij, is de belangrijkste factor voor onderzoekers die geïnteresseerd zijn in het bouwen van een magnetisch koelapparaat.
Er zijn nog andere problemen, zegt Lawrence Bennett, een technische professor aan het Institute for Magnetics Research van de George Washington University. Koelkasten en airconditioners brengen warmte van de ene locatie naar de andere. Een pomp comprimeert een gas zoals freon, waardoor het dicht en heet wordt. Het gas loopt door een set buizen; als de buizen warmte uitstralen, wordt het gas kouder en verandert in een vloeistof. De vloeistof wordt door een speciale klep geperst, zet uit tot een nog kouder gas, absorbeert warmte van de binnenkant van het koelsysteem en herhaalt vervolgens de cyclus.
Om een magnetische koelkast te laten werken, moet het magnetocalorische materiaal aan de ene kant warmte absorberen en aan de andere kant uitstoten. Maar de meeste materialen die zijn getest, zijn slechte warmtegeleiders. Bovendien zijn de beste magnetocalorische materialen metalen, maar de veranderende magnetische velden creëren kleine elektrische stroompjes die energie verbruiken en koeling veel minder effectief kunnen maken.
Dergelijke nadelen zijn de reden waarom sommige experts zoals Bennett onderzoeken of nanocomposieten kunnen worden gemaakt met de nodige kenmerken. In principe zijn de nanocomposieten misschien veel beter, zegt hij. De composiet is bijvoorbeeld eigenlijk een massa kleine deeltjes die elkaar niet raken, waardoor de elektrische stromen bijna stoppen zodra ze begonnen. Magnetocalorisch materiaal kan worden gecombineerd met een andere stof die de warmte gemakkelijker kan afvoeren.
Tot nu toe zijn magnetocalorische nanocomposieten echter slechts een concept. Niemand kan nog produceren wat we nodig hebben, zegt Bennett, hoewel de scheikundeafdeling van George Washington een subsidie van de energieafdeling heeft gekregen om het te proberen.
Zelfs als een dergelijke ontwikkeling succesvol is, waarschuwt Barrett, is het onduidelijk of ingenieurs commercieel levensvatbare producten kunnen ontwerpen met behulp van de technologie. Dus wetenschappers zullen blijven zoeken naar een materiaal dat voldoende aantrekkelijk is en de magneten zullen voorlopig op de koelkastdeur blijven.