Экологически безопасные рефрижераторы, использующие магнитные хладагенты, могут стать реальностью благодаря Эккесу Брюку (Ekkes Bruck) и его коллегам из Амстердамского Университета. Исследователи обнаружили, что структуры, содержащие в себе переходные металлы, могут вести себя как охлаждающие вещества в умеренных магнитных полях при комнатной температуре. Применение этой технологии повысило бы эффективность охлаждения (коэффициент охлаждения) по сравнению с традиционным циклом "испарение-" (E Bruck et al 2001 Nature 415 150).

Магнитные охладители нагреваются под влиянием магнитного поля, в соответствии со вторым началом термодинамики, утверждающим, что энтропия (степень беспорядка) в замкнутой системе не должна убывать с течением времени. Беспорядок в магнетике наблюдается одновременно с точки зрения молекулярно-кинетической и квантовой теорий: атомы вещества магнетика участвуют в хаотическом тепловом движении, а для спинов частиц этого вещества в отсутствие внешнего магнитного поля нет явно выделенного направления в пространстве и они тоже ориентированы произвольно. Приложение внешнего магнитного поля приводит к появлению выделенного направления и снятию вырождения энергетических уровней по спину. Спиновые магнитные моменты ориентируются вдоль или против магнитного поля, т.е. энтропия магнетика уменьшается. Для того, чтобы скомпенсировать этот эффект, тепловое движение молекул магнетика интенсифицируется, т.е. повышается его температура. При магнитном охлаждении это тепло уносится от магнетика водой или воздухом. При выключении магнитного поля возникает прежний произвол в отношении ориентации спинов, температура магнитного хладагента опускается даже ниже исходного значения и он начинает отбирать "лишнее" тепло от окружающих предметов, после чего цикл возобновляется.

Два главных преимущества магнитных холодильников перед традиционными промышленными рефрижераторами, которые отбирают тепло у пара при помощи компрессора, заключаются в том, что они не используют экологически вредных химических соединений, подобных хлорфтороуглеродам, и имеют коэффициент охлаждения более 60%. Для сравнения: у лучших образцов газо-компрессорных рефрижераторов максимальное значение этого параметра составляет около 40%. Эффективность магнитного охлаждения зависит от величины приложенного магнитного поля и магнитных моментов входящих в магнетик атомов и молекул. Наибольшие значения магнитного момента наблюдаются у ионов редкоземельных элементов. Одно сложное соединение гадолиния уже использовалось в качестве магнитного охладителя, но в слабых магнитных полях его энтропия существенно изменялась только при низких температурах. По словам Э. Брюка, для работы в нормальных условиях и при температурах выше комнатной этому веществу требуется сильный сверхпроводящий магнит, который чрезмерно дорог как сам по себе, так и в обслуживании. Материал, изучаемый голландскими учеными, - соединение марганца - наоборот дает максимальный эффект при комнатных температурах. Несмотря на то, что магнитный момент марганца, вообще говоря, примерно вполовину меньше, чем у тяжелых редкоземельных элементов, его температура Кюри составляет 300 К. Это говорит о том, что энтропию этого магнетика можно существенно варьировать при помощи более слабых постоянных магнитов.

Виталий Печарский из лаборатории им. Эймса (Ames Laboratory) США, считает, что исследование этого соединения марганца представляет большой научный интерес, однако оценить его коммерческий потенциал пока еще довольно сложно. Печарский и его коллеги в 1997 году показали как улучшить охлаждающие свойства гадолиния путем добавления примесей. Он добавляет, что исследователи из лаборатории им. Эймса и Американской ассоциации астронавтики (Astronautics Corporation of America) недавно продемонстрировали действующий гадолиниевый магнитный рефрижератор, работающий при комнатной температуре и использующий постоянный магнит.

Автор:
Эдвин Картлидж (Edwin Cartlidge) редактор новостей Physics World

Источник: Physics Web, 9 января 2002