211service.com
Milieuvriendelijke koelkasten
Moderne koelers en koelkasten veroorzaken misschien geen gaten in de ozonlaag zoals hun tegenhangers van vóór 1994, maar ze gebruiken nog steeds broeikasgassen die de planeet opwarmen. Hun compressoren verbruiken ook veel energie: airconditioners en koelkasten gebruikten in 2005 ongeveer 340 miljard kilowattuur, bijna 30 procent van het totale energieverbruik in Amerikaanse huizen.
Cool hulpmiddel: Deze voorlopige versie van een energiezuinige magnetische koelkast toont een ringvormige magneet van 1,2 tesla. De magneet kan een beweegbare cilinder omvatten die materialen bevat die opwarmen in aanwezigheid van een magnetisch veld en afkoelen wanneer het veld wordt verwijderd. Als het afkoelt, neemt het materiaal warmte op uit de omgeving.
Onderzoekers van het Risoe National Laboratory in Roskilde, Denemarken, zijn nu een stap dichter bij het bouwen van een magnetisch koelsysteem dat energiezuinige, milieuvriendelijke en volledig stille koelkasten belooft. Temperaturen in conventionele koelkasten schommelen tussen de -20 en 20 ºC. Het bereiken van dit temperatuurbereik van 40 ºC is een van de grootste uitdagingen bij magnetische koeling. De Deense onderzoekers hebben een koelkast gebouwd die de temperatuur met bijna 9 ºC kan variëren.
Dit is een belangrijke stap in de richting van praktische temperatuurbereiken van 40 ºC, zegt Nini Pryds , een senior wetenschapper bij Risoe die het werk leidt. Het onderzoeksteam werkt nu samen met Danfoss , een van de grootste compressorfabrikanten ter wereld, om een commercieel prototype te bouwen; het bedrijf zegt dat het in 2010 klaar moet zijn.
Magnetische koelingstechnologie maakt gebruik van materialen die opwarmen wanneer ze worden blootgesteld aan een magnetisch veld en afkoelen wanneer het magnetische veld wordt verwijderd. Als het materiaal afkoelt, onttrekt het warmte aan de omgeving. Hoe groter het verschil tussen de heetste en koudste temperaturen die onder invloed van een magnetisch veld worden bereikt, hoe beter het materiaal afkoelt.
Magnetische koelers worden al jaren in laboratoria gebruikt voor cryogene temperaturen van tientallen graden onder nul. In 1995 demonstreerde Ames Laboratory in Iowa de eerste magnetische koelkast die de inhoud koelde in een omgeving met kamertemperatuur. Het bedrijf gebruikte het metaal gadolinium.
Sindsdien hebben onderzoekers veel andere materialen gevonden die bij kamertemperatuur werken. Het probleem is dat de temperatuurschommelingen in al deze stoffen maar enkele graden zijn. Het bereiken van een grote temperatuurverandering is eenvoudig als je een supergeleidende magneet gebruikt, zegt Pryds. Maar supergeleidende magneten zijn groot en moeten zelf worden gekoeld, waardoor ze onpraktisch zijn voor alledaagse apparaten zoals huishoudelijke koelkasten en airconditioners. Voor deze toepassingen, zegt hij, is de enige manier om te gaan een permanente magneet. Idealiter zou het een kleine, goedkope magneet moeten zijn met een veld van minder dan één tesla.
Het verkrijgen van grote temperatuurbereiken met een permanente magneet vereist wat slimme engineering. Meestal betekent dit het gebruik van koelvloeistoffen zoals water. Het materiaal, waar het water omheen circuleert, wordt afwisselend in en uit een magnetisch veld geplaatst. Als hij in het veld staat, wordt hij warm. Het circulerende water onttrekt warmte aan het materiaal en geeft het af aan een koellichaam. Dan wordt het magnetische veld weggenomen en koelt het materiaal, dat al door het water werd afgekoeld, nog meer af. Terwijl het afkoelt, absorbeert het warmte van het water, waardoor het koud genoeg is om als koelkast te worden gebruikt. Deze warm-koude cyclus wordt keer op keer herhaald.
Het is moeilijk om de verschillende onderdelen - materiaal, magneten, vloeistofkoeling - samen te voegen in een praktische magnetische koelkast. Onderzoekers moeten een systeem ontwerpen dat een temperatuurverandering van ten minste 40 ºC en voldoende koelvermogen krijgt - koelkasten hebben momenteel een vermogen van maar liefst 150 watt - met behulp van een permanente magneet met een magnetisch veld van minder dan één tesla. Dat vereist een delicaat evenwicht tussen de parameters van het systeem. Als onderzoekers bijvoorbeeld het temperatuurbereik uitbreiden, kan het koelvermogen afnemen of heeft het systeem mogelijk meer energie nodig. Het is een technische nachtmerrie, zegt Ames Laboratory-onderzoeker Karl Gschneidner , een pionier in magnetische koeling.
Maar de beloningen zullen genoeg zijn. Magnetische koelkasten zullen veel energiezuiniger zijn dan conventionele koelkasten omdat ze alleen energie nodig hebben om het water te laten circuleren. Het energieverbruik van magnetische koelkasten [zou] maar liefst 60 procent lager moeten zijn dan traditionele koeling, zegt Pryds. Ook hebben magnetische systemen, in tegenstelling tot conventionele koelkasten, geen koelmiddelen nodig, zoals fluorkoolwaterstoffen, die krachtige broeikasgassen zijn.
Pryds is ervan overtuigd dat het werk van zijn groep zal leiden tot commerciële magnetische koelkasten. Net als andere onderzoeksteams maakt de Risoe-groep gebruik van het waterkoelingsontwerp. Maar terwijl de meeste onderzoeksteams gadoliniumpoeder gebruiken, gebruiken de Deense onderzoekers platen gemaakt van een keramisch materiaal dat lanthaan, strontium, calcium en mangaan bevat. Pryds zegt dat keramiek chemisch stabiel is; ze corroderen niet in corroderende vloeistoffen zoals water. Ook moeten de keramische platen gemakkelijker op grote schaal te vervaardigen zijn. De combinatie van keramisch materiaal en het definitieve koelkastontwerp van de onderzoekers - dat nog niet openbaar is - zou tot praktisch succes kunnen leiden, zegt hij.
De onderzoekers hebben echter te maken met een aantal sterke concurrenten. Onderzoekers van Ames Laboratory hebben, in samenwerking met de in Milwaukee gevestigde Aeronautics Corporation of America, systemen gemaakt met een temperatuurbereik van 25 C en 95 watt koelvermogen met behulp van 1,5 Tesla-magneten. Andrew Rowe en zijn collega's van de Universiteit van Victoria, in Canada, hebben koelsystemen van 15 watt gemaakt met temperatuurbereiken van 30 C. Ondertussen zijn onderzoekers van Chubu Electric Power en Toshiba, in Japan, gedaald tot ongeveer 0,8 teslas om een bereik van 10 ºC te krijgen.
Het ziet er goed uit, zegt Gschneidner, en over nog eens 5 tot 10 jaar zouden magnetische koelkasten op de markt moeten zijn. Veel onderzoeksgroepen werken nu aan magnetische koelkasten, maken betere materialen en komen met betere systeemontwerpen. Bovendien, voegt Rowe toe, worden permanente magneten kleiner en goedkoper. De basisprincipes zijn getoond en gedemonstreerd, zegt hij. Magnetische koeling werkt. Nu hebben we wat hard nadenken [en] goede ontwerpen nodig, en hopelijk zullen deze dingen samenkomen.